Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmareaktor und Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids.

Hintergrund

In US 5 997 837 A1 wird ein bekannter Plasmareaktor beschrieben, der in den 1990er Jahren als Versuchsreaktor zur Herstellung von Kohlenstoffpartikeln bzw. C- Partikeln eingesetzt wurde. Der bekannte Plasmareaktor weist eine Reaktorkammer auf, die von einer Reaktorwand umschlossen ist. An der Reaktorwand ist ein Plasmabrenner befestigt, der ringförmige Elektroden aufweist. Der Plasmabrenner weist einen Brennerteil auf, der in die Reaktorkammer ragt. In der Mitte der ringförmigen Elektroden befindet sich ein mittiger Kohlenwasserstoffeinlass, welcher dazu geeig- net ist, in axialer Richtung ein Kohlenwasserstofffluid einzuleiten. Die Reaktorkammer ist im Wesentlichen zylinderförmig, und an ihrer Außenwand sind mehrere weitere radial ausgerichtete Kohlenwasserstoffeinlässe vorgesehen. Am anderen Ende der Reaktorkammer gegenüberliegend zum Plasmabrenner weist der Plasmareaktor einen Auslass auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstofffluids resultieren. Im Betrieb des bekannten Plasmareaktors wird am Brennerteil entlang der ringförmigen Elektroden im zeitlichen Durchschnitt ein ringförmiges Plasma gebildet. Ein Kohlenwasserstofffluid wird über den mittigen Kohlenwasserstoffeinlass in den mittleren Bereich des ringförmigen Plasmas eingeleitet. Das Kohlenwasserstofffluid wird bei Betriebstemperaturen von bis zu 2000°C in Wasserstoff und C-Partikel aufgespalten. Durch die weiteren radial ausgerichteten Kohlenwasserstoffeinlässe wird zusätzliches Kohlenwasserstofffluid eingeleitet, das in zusätzlichen Wasserstoff und zusätzlichen Kohlenstoff aufgespalten wird. Der zusätzliche Kohlenstoff lagert sich an den schon vorhandenen C- Partikeln an und erzeugt größere C-Partikel. Die C-Partikel und der Wasserstoff tre- ten als H ₂ /C-Aerosol aus dem Auslass des Plasmareaktors aus. Ein ähnliches System wird in WO93/20152 beschrieben.

Ein großes Problem bei der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in C-Partikel und Wasserstoff ist die unkontrollierte Ablagerung von C-Partikeln (sogenanntes Fouling) an den Wänden der Reaktorkammer und an anderen Teilen der Vorrichtung. Während das Fouling zu festen Kohlenstoffablagerungen oder Krusten führt, die nur schwer gelöst werden können, ist eine Anlagerung von lockeren C-Partikeln (sogenannte Sedimente) weniger problematisch, da diese lockeren Sedimente sich entweder während des Betriebs von selbst lösen oder einfach mechanisch gelöst werden können, z.B. durch Auskratzen oder Bürsten. Eine Vorhersage des Auftretens von Fouling war bisher schwer, und das Phänomen wurde im Stand der Technik nur unzureichend verstanden. Teilweise lagerte sich bei den bekannten Plasmareaktoren innerhalb von wenigen Minuten so viel Kohlenstoff an den Wänden der Reaktorkammer ab, dass die Reaktorkammer "zugewachsen" war und der Betrieb abgebrochen werden musste. Andererseits kam es bei Plasmareaktoren mit Elektroden aus Gra- phit zu einer Erosion der Elektroden, was ebenfalls zum Abbruch des Betriebs führte.

Allgemeine Beschreibung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Plasmareaktor zur Zersetzung von Kohlen- Wasserstoffen vorzusehen, der einen stabilen Betrieb über einen längeren Zeitraum gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlen- wasserstofffluids, der eine Reaktorkammer aufweist, die von einer Reaktorwand um- schlössen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass und einen Auslass aufweist. Ein Plasmabrenner mit wenigstens zwei Elektroden, die an einem ersten Ende einen Basisteil aufweisen, ist an der Reaktorwand befestigt. Die Elektroden weisen an einem zweiten Ende einen Brennerteil auf, der in die Reaktorkammer ragt, und eine Plasmazone ist am Ende von den Brennerteilen von benachbarten Elektro- den definiert. Im Betrieb wird zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, wodurch am Ende von den Brennerteilen ein Plasma erzeugt wird. In einem Bereich zwischen der Plasmazone und dem Auslass mündet der Kohlenwasserstoffeinlass in die Reaktorkammer, und der Kohlenwasserstoffeinlass ist zur Plasmazone so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone hin geleitet wird.

Die Wahl dieser speziellen Art der Einleitung direkt zur Plasmazone hin, hier auch Head-on-Feeding genannt, erreicht den vorteilhaften Effekt, dass die eingeleiteten Kohlenwasserstoffe (vorzugsweise Methan, Erdgas usw.) in der Nähe des Lichtbo- gens bei extrem hohen Temperaturen zersetzt werden. Nahe dem Lichtbogen des Plasmabrenners und innerhalb des Plasmas herrscht eine Temperatur oberhalb der Sublimationstemperatur von Kohlenstoff und oberhalb der Spaltungstemperatur von Wasserstoff. Bei dem gasförmigen Kohlenwasserstoff Methan wird eine Verfünffachung des Gasvolumens verursacht (CH ₄ -> C + 4H), da ein Methanmolekül in fünf gasförmige Einzelatome zerfällt. Falls schwerere Kohlenwasserstoffen mit längeren C-Ketten eingeleitet werden, wird das Gasvolumen noch stärker vervielfacht

(C _n H _m -> nC + mH). Da im Betrieb kontinuierlich Kohlenwasserstofffluid (z.B. Methan) nachströmt, müssen die Stoffe C und H (Produktgas) zur Seite hin abfließen. Wegen der Reaktorwand kann das Produktgas aus C und H nicht schnell genug abfließen, und es kommt zu einer Stauung des sehr heißen Produktgases unmittelbar vor dem Lichtbogen des Plasmabrenners. Diese Wolke aus heißem Produktgas wird von anströmendem Kohlenwasserstofffluid teilweise penetriert und heizt dieses über Kon- vektion und Strahlung auf mehrere Tausend Grad Celsius auf bevor es zur Seite abgeführt wird und dann außen in Nähe der Reaktorwand nach unten in Richtung des Ausgangs des Plasmareaktors strömt. Dabei überträgt das Produktgas aus C und H im Gegenstromprinzip Wärme an das aufsteigende Kohlenwasserstofffluid im Zentrum der Reaktorkammer.

Aus dem Kohlenstoff des Produktgases entstehen C-Partikel (Carbon Black, Aktivkohle) im Wesentlichen durch Aggregation lokaler Konzentrationen von Kohlenstoff- atomen aus der Gasphase. Bei dem hier offenbarten Plasmareaktor entstehen hauptsächlich kleine C-Partikel, die das Fouling bzw. Zuwachsen der Reaktorkammer verhindern. Weiterhin dringen einige große und schwere C-Partikel, die statistisch entstehen können, durch die Plasmawolke und können sich gezielt an den Elektroden anlagern. Dadurch wird ein Materialverlust der Elektroden durch Erosion ausge- glichen. Folglich kann der hier beschriebene Plasmareaktor im Vergleich zum Stand der Technik deutlich längere Einsatzzeiten ohne Unterbrechung erreichen.

Wenn bei dem Plasmareaktor eine Auslassrichtung durch eine Linie von der Plasmazone zum Auslass definiert wird, ist der Kohlenwasserstoffeinlass insbesondere ent- gegen der Auslassrichtung ausgerichtet. Die Wolke aus heißem Produktgas wird zwischen dem anströmendem Kohlenwasserstofffluid aus dem Kohlenwasserstoffeinlass und dem Plasma am Brennerteil zusammengedrückt, wodurch eine Flussrichtung zur Reaktorwand beschleunigt wird. Dadurch können sich nur wenige C-Atome zusammenlagern und es bilden sich nur kleine C-Partikel. Wenn Graphit-Elektroden für den Plasmabrenner verwendet werden, sind diese Graphit-Elektroden so ausgelegt, dass sie im Betrieb zumindest an der Spitze heißer als 2800°C (Temperatur bei der Graphit einen nicht mehr vernachlässigbaren Dampfdruck aufweist) aber kälter als 3900°C (Temperatur, bei der Graphit sublimiert) sind. Bei einem Betriebsverfahren werden zumindest die Zufuhr von elektrischer Energie zu den Graphit-Elektroden sowie der Einleitungsdruck und die Einleitungsrate des Kohlenwasserstofffluids so gesteuert, dass die Temperatur an der Spitze heißer als 2800°C aber kälter als 3900°C ist. Bei einem bekannten Plasmareaktor, z.B. gemäß US 5 997 837 A1 , wurde die Temperatur an der Spitze des Plasmabrenners nicht genau geregelt. Bei Temperaturen über 3900°C wird gasförmiger Kohlenstoff erzeugt, der von einer Graphit-Elektrode abdampft. Da weiter beim Betrieb in der Reaktorkammer ein Fluss von der Elektrode in Richtung zum Auslass erzeugt wird, wird der gasförmige Kohlenstoff (der Partial- druck des Graphits) durch diesen Fluss in Richtung zum Auslass kontinuierlich abgeleitet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass daher beim bekannten Plasmareaktor die Elektrode an ihren heißesten Zonen erodiert (besonders die Spitze). Durch die Einleitung des Kohlenwasserstofffluids direkt zur Plasmazone (Head-on-Feeding) ergibt sich der vorteilhafte Effekt, dass der Partialdruck gasförmigen Kohlenstoffs in der Umgebung der Elektrode erhöht wird. Folglich wird der Partialdruck nicht mehr durch Verdampfung der Elektrode aufrecht erhalten, und die Erosion der Elektrode wird gestoppt. Wenn der Dampfdruck des Kohlenstoffs an der Elektrode aber zu hoch wird, dann re-sublimiert der Kohlenstoff auf der Elektrode, da die Temperatur der Elektrode unterhalb der Sublimationstemperatur des Graphits liegt.

Vorteilhafterweise wird der Kohlenwasserstoffeinlass des Plasmareaktors durch eine Leitung gebildet, die an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und die an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung für Kohlenwas- serstofffluid aufweist, und die Leitung ist so geformt, dass die Ausgabeöffnung für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann die Einleitung von Kohlenwasserstofffluid in die Reaktorkammer in einfacher Weise ausgeführt werden und die Leitung kann zusätzlich gekühlt werden, falls die Kühlung durch das eingeleitete Kohlenwasserstofffluid nicht reicht. In einem Ausführungsbeispiel wird der Kohlenwasserstoffeinlass des Plasmareaktors durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen gebildet, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung für Kohlenwasserstofffluid aufweist. Das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen ist in diesem Fall so geformt, dass jede der Ausgabeöffnungen für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet ist. Weiter ist die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen des Bündels separat steuerbar. So kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid (d.h. die Einleitung in den Plasmareaktor) über einen großen Bereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes des Kohlenwasserstofffluids vor der Aus- gabeöfmung (Vordruck), der Strömungsgeschwindigkeit an der Ausgabeöffnung.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen jeweils Ausgabeöffnungen mit unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt aufweisen. Bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlen- wasserstofffluids verändert werden. Alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden. Diese Möglichkeiten zur Veränderung beeinflussen wieder die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Außerdem ist es bei dieser Ausführung möglich, den Kohlenstoff Partialdruck an der Elektrode so zu regulieren, dass es einerseits nicht zu verstärkten Ablagerun- gen (zu hoher Partialdruck) andererseits aber auch nicht zur Erosion der Elektrode kommt (zu niedriger Dampfdruck). Bei der Düse mit dem größten Strömungsquerschnitt werden der Druck, und die Flussrate so gesteuert, dass die Wolke des Kohlenwasserstofffluids in die Nähe der Elektrodenspitzen kommt. Bei den kleineren Düsen werden der Druck, und die Flussrate so gesteuert, dass die Ränder der Wolke des Kohlenwasserstofffluids gezielt an die Elektrodenspitze herangeführt werden (Feinjustierung).

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsquerschnitte der Ausgabeöffnungen der Kohlenwasserstoffleitungen unterschiedlich sind, wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer ersten Kohlenwasserstoffleitung mit einer ersten Ausgabeöffnung mittels Ventilen über einen ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden kann, und wobei eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus wenigstens einer zweiten Kohlenwasserstoffleitung mit einer entsprechenden zweiten Ausgabeöffnung mittels Ventilen über wenigstens einen zweiten Ausgabebe- reich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden kann, wobei der wenigstens eine zweite Ausgabebereich sich zumindest teilweise vom ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid unterscheidet. Dabei bilden der erste Ausgabebereich und der wenigstens eine zweite Ausgabebereich zusammenwirkend einen gesamten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid des Kohlenwasserstoffeinlasses. So können die Ausgabeparameter ohne Unterbrechung des Betriebs des Plasmareaktors über einen weiten Bereich variiert werden. Dadurch ist es auch möglich, Versuche zu optimalen Betriebsparametern für den Plasmareaktor auszuführen. Außerdem kann der Plasmareaktor für unterschiedliche Kohlenwasserstoffe und variierende Betriebszustände eingestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel weist der Plasmareaktor eine Vorrichtung zum Messen einer Partikelgröße auf. So kann eine Steuervorrichtung des Plasmareaktors die Betriebsparameter abhängig von der Partikelgröße regeln. Wenn die Partikelgröße kontinuierlich gemessen wird, und gleichzeitig einzelne Betriebsparameter verändert werden, kann weiter ein Kennfeld erstellt werden, das die Beziehung zwischen der Partikelgröße und den verschiedenen Betriebsparametern repräsentiert.

Weiter kann der Plasmareaktor einen Drucksensor aufweisen, der ausgebildet ist, um den Druck in der Reaktorkammer abzufühlen (entsprechend dem Gegendruck zum (Vor-)Druck vor der Ausgabeöffnung). Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine starke Veränderung des Druckes in der Reaktorkammer ein Hinweis darauf ist dass eine Einstellung der Betriebsparameter erreicht wurde, bei der das oben beschriebene Produktgas aus C und H und die erwünschte Strömung zur Wand der Reaktorkammer auftreten. So kann mittels eines einfachen Drucksensors eine Einstellung erreicht werden, bei der kleine C-Partikel vorliegen.

Das Ziel der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmareaktors erreicht, wobei der Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwas- serstofffluids ausgebildet ist und eine Reaktorkammer aufweist, die von einer Reaktorwand umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass und einen Auslass aufweist. Ein Plasmabrenner mit wenigstens zwei Elektroden ist in der Reaktorkammer angeordnet, und eine Plasmazone ist zwischen benachbarten langgestreckten Elektroden definiert. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Einleiten von Kohlenwasserstofffluid in Richtung zur Plasmazone in einen Bereich der Reaktorkammer zwischen der Plasmazone und dem Auslass, und Zersetzen des Kohlen- wasserstofffluids in Kohlenstoffpartikel und Wasserstoff; Variieren wenigstens eines Parameters der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid; Bestimmen einer Korrelation zwischen einer Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid während des Variierens. Wenn die Partikelgröße kontinuierlich gemessen wird, und gleichzeitig einzelne Betriebsparameter verändert werden, kann weiter ein Kennfeld erstellt werden, das die Beziehung zwischen der Partikelgröße und den verschiedenen Betriebsparametern repräsentiert. Aus der Korrelation zwischen Partikelgröße und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid können Parameter gewählt werden, bei denen hauptsächlich kleine C-Partikel erzeugt werden, die das Fouling bzw. Zuwachsen der Reaktorkammer verhindern. Ebenso können gezielt große und schwere C- Partikel erzeugt werden, die durch die Plasmawolke dringen und sich gezielt an den Elektroden anlagern, um einen Materialverlust der Elektroden durch Erosion auszugleichen. Weiter wird eine Einstellung der Betriebsparameter in Betracht gezogen, bei der einige große und schwere C-Partikel statistisch entstehen, und den Materialverlust der Elektroden ausgleichen. Folglich erreicht das hier beschriebene Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik deutlich längere Einsatzzeiten ohne Unterbrechung.

Bei diesem Verfahren ist der eingestellte Betriebsparameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid vorteilhafterweise wenigstens einer der Folgenden:

- ein Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses (bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids verändert werden, und alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden);

- eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass (dadurch können der Massestrom und die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden, insbesondere fein eingestellt werden);

- eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass (die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Veränderung des Strö- mungsquerschnittes des Kohlenwasserstoffeinlasses oder durch Veränderung des Massestroms beeinflusst werden).

Diese Veränderungen der eingestellten Betriebsparameter beeinflussen wieder die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf, den wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid basierend auf der bestimmten Korrelation so zu steuern, dass die Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel minimal ist. Aus Versuchen hat sich ergeben, dass keine harten oder festen Ablagerungen (Fouling) entstehen, wenn die erzeugten C-Partikel klein sind. Die Größe der C-Partikel hängt von der Länge des Zeitintervalls ab, in dem das wachsende C-Partikel auf thermisch zer- setzbare Kohlenwasserstoffmoleküle trifft. In Abwesenheit von thermisch zersetzbaren Kohlenwasserstoffmolekülen hängt sie außerdem von der räumlichen Verfügbarkeit agglomerisierfähiger C-Atome ab, d.h. von der Verfügbarkeit von C-Atomen in räumlicher Nähe, die sich zu einem C-Partikel zusammenfügen können. Diese räumliche Verfügbarkeit kann durch turbulente Strömung erhöht werden. Das Partikel- Wachstum kommt zum Erliegen, wenn im relevanten Volumensegment keine weiteren C-Atome mehr verfügbar sind. Die C-Partikel haben eine graphitartige Struktur, und einzelne C-Partikel können sich noch zu Clustern aggregieren (nicht-elastischer Stoß), wobei diese keine harten oder festen Strukturen und Ablagerungen bilden. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoff- einlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass kontinuierlich abgefühlt und eine plötzliche Veränderung der abgefühlten Druckdifferenz detektiert. Es wurde herausgefunden, dass eine plötzliche Veränderung des Druckes oder des Druckanstiegs in der Reaktorkammer ein Hinweis darauf ist dass eine Einstellung der Betriebsparameter erreicht wurde, bei der das oben beschriebene Produktgas aus C und H und die erwünschte Strömung zur Wand der Reaktorkammer auftreten. So kann mittels einer Überwachung des Druckverlaufs eine Einstellung erreicht werden, bei der kleine C-Partikel vorliegen.

Vorzugsweise werden der Druck in der Reaktorkammer und die Temperatur außerhalb der Plasmazone geringfügig unter den Sublimationsbedingungen von Graphit (etwa 3900°C bei 20 bar) gehalten, insbesondere der Druck in der Reaktorkammer auf 20 bar gehalten und die Temperatur außerhalb der Plasmazone unterhalb von 3900°C gehalten. Dann kommt es sofort zur Partikelbildung und diese ist im Wesentlichen abgeschlossen, bevor das gebildete C-Partikel in der Nähe der Reaktorwand ankommt. Wenn die Partikelbildung abgeschlossen ist und kein unzersetzter Kohlenwasserstoff (z.B. Erdgas bzw. Methan) mehr vorhanden ist, neigt der gebildete C- Partikel nicht dazu, sich an der Reaktorwand abzulagern (d.h. zu kondensieren). In einem Ausführungsbeispiel wird der Kohlenwasserstoffeinlass durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen gebildet, wobei das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen an einem ersten Ende an der Reaktorwand befestigt ist, und wobei jede Kohlenwasserstoffleitung an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabe- Öffnung für Kohlenwasserstofffluid aufweist. Dabei sind die Ausgabeöffnungen für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone ausgerichtet und weisen Ausgabeöffnungen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten auf. In diesem Fall weist das Verfahren den Schritt auf, die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen separat zu steuern. So kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid über einen großen Bereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit.

Die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid kann über einen noch größeren Bereich variiert werden, wenn ein Verfahren angewendet wird, wobei der Kohlenwasserstoff- einlass ein Bündel von wenigstens N Kohlenwasserstoffleitungen aufweist, und folgende Schritte ausgeführt werden, wobei der Massenfluss des Kohlenwasserstoffflu- ids in den Schritten a) und b) gleich ist:

a) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N Kohlenwasserstoffleitungen mit einer ersten Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Aus- lass;

b) Einleiten von Kohlenwasserstofffluid aus den Ausgabeöffnungen von N-1 oder N+1 Kohlenwasserstoffleitungen mit einer zweiten Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass, wobei die zweite Druckdifferenz größer ist als die erste Druckdifferenz.

Die Erosion der Elektroden kann verringert oder verhindert werden wenn bei dem Verfahren eine Verteilung der Größe der Kohlenstoffpartikel basierend auf der Korrelation, so beeinflusst wird, dass ein kleiner Teil der Kohlenstoffpartikel ausreichend groß ist, um durch die Plasmazone zu wandern. Ein Teil dieser Kohlenstoffpartikel wird dann auf den Enden der Elektroden abgelagert. Weiter werden die Zeit des Einleitens von Kohlenwasserstofffluid und die Dicke der Ablagerung der Kohlenstoffpar- tikel auf den Elektrodenenden während dieser Zeit gemessen. Der Verlauf der Ablagerung von Kohlenstoff auf der Elektrode kann unter anderem durch fortlaufendes Messen des elektrischen Widerstandes an der Elektrode überwacht werden. Die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Kohlenwasserstofffluid eingeleitet wird, wird dann so modifiziert, dass die Ablagerung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden genauso schnell erfolgt wie die Erosion der Elektrodenenden infolge von Sublimation des Kohlenstoffs bei hohen Temperaturen. Insbesondere ergeben sich Vorteile, wenn die Verteilung der Größe der Kohlenstoffpartikel mittels folgender Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beeinflusst wird:

- Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses;

- Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass; und

- Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass.

Eine Veränderung dieser Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beein- flusst die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls, so dass gezielt C- Partikel erzeugt werden können, welche ausreichend Größe und genügend Bewegungsenergie bzw. Impuls haben, um die Plasmazone zu durchwandern und die Elektroden zu erreichen. Durch die beschriebene Anordnung der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid und durch das Variieren der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid kann die Größe der C- Partikel eingestellt werden und es ist möglich, der Erosion der Elektroden entgegenzuwirken. Diese Anordnung stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, wo die Einleitung von Kohlenwasserstofffluid in die Reaktorkammer bis- her nur bezüglich des Druckes in einem kleinen Bereich variiert werden konnte und eine Erosion der Elektroden auftrat. Durch die Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses (d.h. der Ausgabeöffnung(en)) können also große C-Partikel mit großer kinetischer Energie in die Plasmazone eindringen und durch die Plasmazone wandern. Gleichzeitig formen sich kleine und mittelgroße C-Partikel nach einer Sublimation an oder in der Plasmazone (bei einer Temperatur von mehr als der Sublimationstemperatur von Kohlenstoff) zu sehr kleinen C-Partikeln um, weil sich kein weiterer Kohlenwasserstoff (z.B. Erdgas bzw. Methan) in der Nähe dieser C-Partikel zersetzen kann. Die Größe der C-Partikel, die seitlich zur Reaktorwand und nach unten zum Auslass des hier beschriebenen Plasmareaktors strömen, ist also kleiner als bei bekannten Plasmareaktoren, Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Fig. 2 zeigt einen Plasmareaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstofffluids gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Fig. 3 zeigt ein geschnittenes Detail Z eines Kohlenwasserstoffeinlasses für einen

Plasmareaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 4a zeigt ein geschnittenes Detail Z eines alternativen Kohlenwasserstoffeinlasses für einen Plasmareaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 4b zeigt eine Draufsicht des Details Z aus Fig. 4a

Fig. 5 zeigt den Plasmareaktor gemäß einem der beschriebenen Ausführungs- beispiele im Betrieb.

In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Die- se Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Das hier beschriebene Kohlenwasserstofffluid ist bevorzugt Erdgas, Methan, Flüssiggas, Biogas, Schweröl, synthetische Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung davon (insbesondere vorzugsweise aus einem Strom von konventionellem oder nicht-konventionellem Erdgas sowie Flüssiggasen, die auch "wet gases" genannt werden). Die Kohlenwasserstoffe werden bevorzugt in

Gasform in den Reaktor eingeleitet. Kohlenwasserstoffe, die bei normal Umgebungsbedingungen flüssig oder hochviskos sind, können vor dem Einleiten in den Reaktor in Gasform gebracht werden, verdünnt werden oder sie könnten auch in einer fein zerstäubten Form eingeleitet werden. Alle diese Formen werden hier als Kohlenwas- serstofffluid bezeichnet.

Der Plasmareaktor 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Reaktorkammer 2 auf, die von einer Reaktorwand 3 umschlossen ist, welche einen Unterteil 3a und einen Deckel 3b aufweist. Die Reaktorkammer 2 kann auch an einer anderen Stelle geteilt sein, als in den Figuren gezeigt. Die Reaktorkammer 2 ist im Wesentlichen zylinderförmig und hat eine Mittelachse 4. Der Plasmareaktor 1 weist weiter wenigstens einen Kohlenwasserstoffeinlass 5 auf, der mit einem nicht gezeigten Vorrat für ein unter Druck stehendes Kohlenwasserstofffluid verbunden ist (beispielsweise mit einem Tank und/oder einer Pumpe). Am Deckel 3b der Reaktorwand 3 ist ein Plasmabrenner 7 befestigt, der (nicht näher gezeigte) langgestreckte Elektroden auf- weist. Der Plasmabrenner 7 weist einen Basisteil 9 auf, der an der Reaktorwand 3 befestigt ist (hier am Deckel 3b). In der Nähe des Basisteils 9 ist ein Plasmagasein- lass 0 vorgesehen. Der Plasmabrenner 7 weist an seinem anderen Ende gegenüberliegend zum Basisteil 9 einen Brennerteil 1 1 an einem freien Ende der Elektroden auf, der in die Reaktorkammer 2 ragt. Die in den Figuren nicht näher gezeigten Elekt- roden sind vorzugsweise ineinander angeordnete rohrförmige Elektroden oder Rohr- Elektroden (beispielsweise aus US 5 481 080 A bekannt). Es ist aber auch denkbar, dass Stab-Elektroden verwendet werden, beispielsweise zwei nebeneinander angeordnete Stab-Elektroden. Die Elektroden können aus Metall oder Graphit sein. Im Betrieb des Plasmareaktors 1 werden Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlenwas- serstoffen (C _n H _m ) mittels der Energie von einem Plasma erzeugt. Eingeleitete Koh- lenwasserstofffluide werden bei hoher Temperatur in eine Mischung aus Kohlenstoff (C-Partikel) und Wasserstoff (H ₂ ) aufgespalten, die auch als H ₂ /C-Aerosol bezeichnet wird. Diese Mischung aus C-Partikeln und Wasserstoff bleibt auch nach dem Abkühlen getrennt. In der Nähe der Elektroden, insbesondere am Ende der Brennerteile, wird eine Plasmazone 13 mittels eines Lichtbogens zwischen den Elektroden erzeugt, vorzugsweise mit H ₂ als Plasmagas, da dieses bei der Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe sowieso anfällt. Als Plasmagas kann aber auch jedes andere geeignete Gas ausgewählt werden, beispielsweise inerte Gase wie Argon oder Stickstoff, die nicht die Reaktion bzw. Aufspaltung im Plasma-Lichtbogen beeinflussen oder daran teilnehmen. In der Plasmazone 13 wird im Betrieb ein Plasma gebildet, das durch eine Plasmasteuervorrichtung 14 beeinflusst werden kann, beispielsweise durch Magnetkraft. Am anderen Ende der Reaktorkammer 2 gegenüberliegend zum Plasmabrenner 7 weist der Plasmareaktor 1 einen Auslass 15 auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwas- serstofffluids resultieren. Der Auslass 15 ist an einem axialen Ende der Reaktorkammer 2 angeordnet.

In Figur 2 ist ein Plasmareaktor 1 mit mehreren Auslässen 15 gezeigt. Ein erster Auslass 15-1 ist zum Auslassen eines H ₂ /C-Aerosols vorgesehen, wie in Fig. 1. Über einen zweiten Auslass 15-2 kann ebenfalls ein Teil des H ₂ /C-Aerosols ausgeleitet werden, der beispielsweise in einem anderen Reaktor oder Prozess verwendet wer- den soll. Jedoch wird vorzugsweise über den zweiten Auslass 15-2 nur Wasserstoff H ₂ ausgeleitet, wobei der zweite Auslass 15-2 dafür so gestaltet wird, dass sich der gasförmige Wasserstoff H ₂ von den festen C-Partikeln abscheidet. Der zweite Auslass 15-2 kann bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wer- den.

Allgemein gesagt, wird der Kohlenwasserstoffeinlass 5 durch eine Leitung 7 gebildet, die an einem ersten Ende an der Reaktorwand 3 befestigt ist (beispielsweise hier am Unterteil 3b), und die an einem entgegengesetzten Ende wenigstens eine Ausga- beöffnung 21 für Kohlenwasserstofffluid aufweist. In einem Bereich zwischen der Plasmazone 13 und dem Auslass 15 mündet der Kohlenwasserstoffeinlass 5 in die Reaktorkammer 2. Die Ausgabeöffnung 21 ist zur Plasmazone 3 so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone 13 hin geleitet wird. Die Ausgabeöffnung 21 für Kohlenwasserstofffluid ist somit zur Plasmazone ausgerichtet. Wenn man eine Auslassrichtung der Stoffe, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstofffluids resultieren (d.h. C-Partikel und H ₂ ), durch eine Linie von der Plasmazone zum Auslass 15 definiert, dann ist der Kohlenwasserstoffeinlass 5 entgegen der Auslassrichtung ausgerichtet. Wie detailliert in Fig. 3 zu sehen, weist die Leitung 7 gemäß einem einfachen Ausführungsbeispiel eine Kohlenwasserstoffleitung 18 und eine Schutzgasleitung 19 auf. Die Kohlenwasserstoffleitung 18 und die Schutzgasleitung 19 können nebeneinander verlaufen oder können ineinander liegen, wobei die Kohlenwasserstoffleitung 18 vorzugsweise in der Schutzgasleitung 19 angeordnet ist. Die Kohlenwasserstoffleitung 18 und die Schutzgasleitung 19 können auch teilweise nebeneinander verlaufen und nahe der Ausgabeöffnung 21 ineinander liegen.

Wie in der vergrößerten Ansicht der Fig. 4a und 4b gezeigt, wird der Kohlenwasserstoffeinlass 5 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n gebildet. Die Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , ... 18-n sind in diesem Fall von einer gemeinsamen Schutzgasleitung 19 umgeben. Das Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n ist wieder an einem ersten Ende an der Reaktorwand 3 befestigt, und jede Kohlenwasserstoffleitung 18- 1 18-n weist an einem entgegengesetzten zweiten Ende eine Ausgabeöffnung 21 -1 , 21-n für Kohlenwasserstofffluid auf. Auch in diesem Fall ist jede der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n für Kohlenwasserstofffluid zur Plasmazone 13 ausgerich- tet. Die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 18-n ist separat steuerbar. Alternativ kann jede der Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n von einer eigenen Schutzgasleitung 19 umgeben sein (nicht in den Fig. gezeigt), so dass auch die Ausgabe von Schutzgas separat steuer- bar ist. Die Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n werden optional über ein Kühlmittel in einer oder mehreren Kühlmittelleitungen 20 gekühlt. Eine Kühlung durch die Kühlmittelleitungen 20 verhindert, dass das Kohlenwasserstofffluid sich unkontrolliert zersetzt. Obwohl die Kühlmittelleitungen 20 zur Vereinfachung der Darstellung nur in Fig. 4a gezeigt sind, können sie in allen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Die einzelnen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n weisen Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n mit unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt auf. In diesem Fall kann eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer ersten Kohlenwasserstoffleitung 18-1 mit einer ersten Ausgabeöffnung 21 -1 mittels (nicht gezeigten) Ventilen über einen ersten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden, und eine Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus einer zweiten Kohlenwasserstoffleitung 18-2 mit einer entsprechenden zweiten Ausgabeöffnung 21 -2 kann über einen zweiten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid variiert werden. In einem Beispiel wird die erste Ausgabeöffnung 21-1 für einen anderen Bereich von Ausgabegeschwindigkeiten verwendet als die zweite Ausgabeöffnung 21 -2. In einem anderen Beispiel wird die ersten Ausgabeöffnung 21 -1 für einen anderen Bereich des Massestroms verwendet als die zweite Ausgabeöffnung 21 -2. Die Ausgabebereiche unterscheiden sich und können angrenzend oder überlappend sein. Der erste und zweite Ausgabebereich bilden zusammen einen gesamten Ausgabebereich für Kohlenwasserstofffluid. So können sowohl der Impuls der erzeugten C-Partikel als auch die Teilchengröße variiert werden.

Weiterhin können die Lage und die Form der Wolke des Kohlenwasserstofffluids variiert werden, wenn das Kohlenwasserstofffluid durch mehrere Ausgabeöffnungen gleichzeitig ausgegeben wird. Wenn eine Ausgabeöffnung mit großem Strömungs- querschnitt in der Mitte der Gruppe von Ausgabeöffnungen angeordnet ist (entsprechend 18-7 in Fig. 4b), kann die Lage der Wolke des Kohlenwasserstofffluids relativ zu den Spitzen der Elektroden des Brennerteils 1 beeinflusst werden. Wenn der Druck des Kohlenwasserstofffluids bei der Einleitung erhöht wird, verschiebt sich die Wolke des Kohlenwasserstofffluids näher zu den Spitzen der Elektroden. Wenn der Druck des Kohlenwasserstofffluids bei der Einleitung verringert wird, entfernt sich die Wolke des Kohlenwasserstofffluids von den Spitzen der Elektroden. Wenn gleichzei- tig Kohlenwasserstofffluid am Rand der Gruppe von Ausgabeöffnungen eingeleitet wird, kann auch die Form der Wolke des Kohlenwasserstofffluids beeinflusst werden, beispielsweise ungefähr rund, oval oder kegelförmig. Wenn das Kohlenwasserstofffluid an einer Seite des Randes (entsprechend 18-1 , 18-2, 18-3 in Fig. 4b) der Gruppe von Ausgabeöffnungen mit höherem Druck eingeleitet wird als an der anderen Seite, kann die Wolke des Kohlenwasserstofffluids zur Reaktorwand 3 hin oder weg davon verschoben werden.

In beiden Ausführungsbeispielen sind die Kohlenwasserstoffleitung(en) 18 oder 18-1 , 18-n und die Schutzgasleitung 19 so angeordnet, dass im Betrieb ein ausströmendes Kohlenwasserstofffluid von einem Schutzgas umgeben wird. Im Betrieb ist die Ausgabegeschwindigkeit des Schutzgases signifikant geringer als die Ausgabegeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids, insbesondere mindestens fünfmal geringer.

In der Nähe des Basisteils 9 des Plasmabrenners 7 ist eine optionale Spülgasleitung 22 angeordnet. Mittels der Spülgasleitung 22 kann ein Vorhang aus Spülgas zwischen der Reaktorwand 3 und dem Plasmabrenner 7 eingeleitet werden. Das Spülgas kann das gleiche Gas sein, welches auch als Plasmagas verwendet wird. Der Massenfluss des Spülgases ist geringer als der Massenfluss des Kohlenwasserstofffluids, vorzugsweise mindestens 10 mal geringer.

Der Plasmareaktor 1 weist im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 oder beim Ausläse 15 eine Vorrichtung 24 zum Messen einer Größe der C-Partikel des H ₂ /C- Aerosols auf. Vorrichtungen zum Messen einer Partikelgröße sind bekannt und werden beispielsweise beschrieben in: Leschonski, Kurt "Grundlagen und moderne Verfahren der Partikelmesstechnik", Institut für mechanische Verfahrenstechnik und Umweltverfahrenstechnik, Technische Universität Clausthal, 1988. Verschiedene Messverfahren können verwendet werden, und die Vorrichtung 24 kann beispielswei- se eine der folgenden sein: ein differentieller Mobilitätsanalysator (DEMC, engl.: Differential Electrical Mobility Classifier), ein differentielles Mobilitätsspektrometer (DE- MAS, engl. Differential Mobility Analysing System) oder ein Laserbeugungssensor (Laser diffraction analysator), ist jedoch nicht auf diese eingeschränkt. Da die Temperatur im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 oder beim Auslass 15 (oder 15-1 , 15- 2) über 700°C liegt, wird in Betracht gezogen, dass ein Teil des H ₂ /C-Aerosols oder der C-Partikel entnommen wird, abgekühlt wird und dann gemessen wird. Weiter weist der Plasmareaktor 1 einen Drucksensor 26 auf, der in Verbindung mit der Reaktorkammer 2 angeordnet ist und den Druck in der Reaktorkammer 2 abfühlen kann, d.h. den Gegendruck. Der Drucksensor 26 ist beispielsweise im unteren Bereich der Reaktorkammer 2 angeordnet, um diesen vor direktem Einfluss des Plasmas zu schützen. Der Drucksensor 26 kann beispielsweise entlang der Mittelachse 4 ungefähr in der gleichen Entfernung zum Plasmabrenner 7 angeordnet sein, in der die Leitungen 17, 18, 19 für Kohlenwasserstoff und Schutzgas an der Reaktorwand 3 befestigt sind. Der Plasmareaktor 1 weist weiter einen (nicht gezeig- ten) zweiten Drucksensor auf, der den Druck des Kohlenwasserstofffluids vor der Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21 -n abfühlen kann, d.h. den Vordruck.

Im Folgenden wird der Betrieb des Plasmareaktors 1 beschrieben. Kohlenwas- serstofffluid wird durch die Kohlenwasserstoffleitung 18 in Richtung zur Plasmazone 13 eingeleitet. Einzelne Kohlenwasserstoffmoleküle können nicht in das hochviskose Plasma eindringen, wie sich nach Versuchen und Berechnungen herausgestellt hat. Durch die hohe Temperatur des Plasmas wird das Kohlenwasserstofffluid auf dem Weg zur Plasmazone 3 zuerst in Produktgas (C-Atome und H-Atome) zersetzt. Gleichzeitig bilden sich C-Partikel (Carbon-Black-Teilchen - eine Art Graphit) aus den C-Atomen. Dieser Vorgang dauert etwa 8-12 ms. Dann werden ein oder mehrere Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid variiert, insbesondere (a) ein Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses (bei konstantem Massestrom kann dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids verändert werden, und alternativ kann bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit dadurch der Massestrom verändert werden); (b) eine Druckdifferenz zwischen einem Druck in der Reaktorkammer und einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass (dadurch können der Massestrom und die Strömungsgeschwindigkeit verändert werden, insbesondere fein eingestellt werden); oder (c) eine Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasser- stoffeinlass (die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Veränderung des Strömungsquerschnittes des Kohlenwasserstoffeinlasses oder durch Veränderung des Massestroms beeinflusst werden). Diese Betriebsparameter beeinflussen die Größe der C-Partikel und deren Bewegungsimpuls. Durch kontinuierliche Messung der Partikelgröße der Kohlenstoffpartikel mittels der Vorrichtung 24 kann eine Korrelation zwischen einer Partikelgröße der C-Partikel und dem wenigstens einen Parameter der Einleitung von Kohlenwasserstofffluid bestimmt werden. Der Betrieb des Plasma- reaktors 1 wird durch eine (nicht gezeigte) Steuervorrichtung gesteuert, und die Korrelation zwischen der Partikelgröße und den Betriebsparametern wird in einem Kennfeld in einem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert. Die Parameter zur Einleitung von Kohlenwasserstofffluid werden so gesteuert, dass die Partikelgröße der C-Partikel minimal ist, um harte oder feste Ablagerungen zu vermeiden. Außerdem lassen sich kleine C-Partikel besser weiterverarbeiten. Kleine C-Partikel sind insbesondere vorteilhaft, wenn die C-Partikel in CO umgewandelt werden sollen, beispielsweise wenn der Plasmareaktor 1 in einer Vorrichtung zum Erzeugen von CO oder Synthesegas als Kohlenwasserstoffkonverter eingesetzt wird. Vorrichtungen zum Erzeugen von CO oder Synthesegas werden beispielsweise in WO 2013/09 878 A1 und WO 2013/091879 A1 beschrieben. CO oder Synthesegas kann neben den oben genannten Plasmagasen bei diesen Vorrichtungen als Plasmagas verwendet werden. Weiter ist ein Plasmareaktor 1 mit mehreren Auslässen 15-1 und 15-2 (Figur 2) vorteilhaft für eine Vorrichtung zum Erzeugen von CO oder Synthesegas, da über den zweiten Auslass 15-2 ein Teil des Wasserstoffes abgeleitet werden kann und das Verhältnis von CO zu H ₂ verändert werden kann.

Weiterhin wird eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwas- serstofffluids an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass kontinuierlich abgefühlt und eine plötzliche Veränderung der abgefühlten Druckdifferenz de- tektiert. Der Druck an einer Stelle nach dem Auslass 15 steht in Beziehung mit dem Druck in der Reaktorkammer 2. Eine deutliche Veränderung des Druckes oder des Druckanstiegs in der Reaktorkammer ist ein Hinweis darauf dass das oben beschriebene Produktgas aus C-Atomen und H-Atomen erzeugt wird und die erwünschte Strömung des Produktgases zur Wand der Reaktorkammer auftritt. Die Größe der C- Partikeln, die aus den C-Atomen des Produktgases erzeugt werden, unterliegt in gewisser Weise einer statistischen Verteilung. Das heißt, sehr große C-Partikel (oder sehr kleine C-Partikel) können nicht vollständig vermieden werden. Durch die Strömung des größten Teils des Produktgases zur Wand der Reaktorkammer hin wird aber sichergestellt, dass aus diesem Teil des Produktgases vorherrschend kleine C- Partikel erzeugt werden. Die Messung der Druckdifferenz und die Messung der Partikelgröße können unabhängig voneinander ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Messung der Druckdifferenz als Unterstützung eingesetzt, um die Genauigkeit und Schnelligkeit der Steuerung zu verbessern. Im Betrieb wird der Druck in der Reaktorkammer 2 und die Temperatur außerhalb der Plasmazone 13 geringfügig unterhalb der Sublimationsbedingungen von Graphit gehalten. Beispielsweise wird der Druck in der Reaktorkammer 2 ungefähr auf 20 bar gehalten (+/- 10%), und die Temperatur außerhalb der Plasmazone 13 wird unterhalb von 3900°C gehalten, so dass die C-Partikel nicht sublimieren und an der Reaktorwand 3 kondensieren.

Im Betrieb des Ausführungsbeispiels der Fig. 4a und 4b, bei dem der Kohlenwasser- stoffeinlass 5 durch ein Bündel von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 8-n gebildet wird, wird die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n separat über unterschiedliche Ausgabebereiche gesteuert. Wie oben erwähnt, kann die Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid über einen großen Gesamtbereich variiert werden, z.B. bezüglich der Masse pro Zeit, des Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit. Die Ausgabegeschwindigkeit und die Differenz zwischen Vordruck und Gegendruck der ersten Ausgabeöffnung 21 -1 werden variiert, um Kohlenwasserstoff in einem ersten Bereich des Massestroms in die Reaktorkammer 2 einzuleiten. Die Größe der zweiten Ausgabeöffnung 21 -2 ist für einen anderen Bereich des Massestroms geeignet, und entsprechend werden die Ausgabegeschwin- digkeit und die Differenz zwischen Vordruck und Gegendruck in einem dazu passenden anderen Bereich variiert. In gleicher weise ist die Größe der dritten Ausgabeöffnung 21 -3 wieder für einen anderen Bereich des Massestroms geeignet, und so weiter. Beispielsweise können die Parameter zur Einleitung von Kohlenwasserstofffluid für die Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n variiert werden, wie in der folgenden Tabelle 1 dargestellt:

AusgabeAusgabeDifferenz Querschnitt der Massenfluss des öffnung geschwindigVordruck / Ausgabeöffnung Kohlenwasser- keit Gegendruck stofffluids

21 -1 V2l-l ,min blS Ap ₂ i -i ,min bis a1 rn ₂ i-i ,min bis

V21-1,max Ap2i-i .max ^m 21-1 ,max

21 -2 V21-2,min blS Δρ ₂ ΐ-2,ηιίη lS a2 m2i-2,min bis

V21-2,max Ap21-2.max m ₂ l-2,max

21 -3 V21-3,min bis Δρ ₂ 1 -3,πιίη b ^' lS a3 m ₂ 1-3,min biS

V21-3,max Ap2l-3.ma m21-3,max

21 -4 V21-4,min blS Ap ₂ i-4,min blS a4 m ₂ ,min bis

V21-4,max Ap2i-4.max m ₂ i-4.max

21 -5 V21-5,min bis Ap ₂ i-5,min bis a5 m21-5,min biS

V21-5,max Ap21-5.max m ₂ l-5,max

21 -6 V21-6,min bis Ap ₂ l-6,min bis a6 m ₂ i- ₆ , _m in bis V21-6.max Ap2i-6.max ^m 21-6,max

21 -7 V21-7,min blS Ap21-7,min lS a7 m ₂ i-7,min bis

V21-7.max Ap21-7.max m21-7,max

Die Ausgabebereiche unterscheiden sich und sind angrenzend, d.h. an den Geschwindigkeitsbereich v ₂ i- _{1 im} in bis V2i-i,max der Ausgabeöffnung 21 -1 grenzt der Geschwindigkeitsbereich v ₂ i _-2 ,min bis v ₂ i- ₂ ,max der nächsten Ausgabeöffnung 21 -2 an, und so weiter bis 21-7. Weiter grenzt der Bereich der Druckdifferenz Ap ₂ . _min bis Ap _21- i. _max zwischen Vordruck und Gegendruck der Ausgabeöffnung 21-1 an den Bereich der Druckdifferenz Äp ₂ i-2,min bis Äp ₂ -i-2.ma der nächsten Ausgabeöffnung 21-2 an, und so weiter bis 21-7. Ebenso grenzt der Bereich m ₂ i-i ,min bis m ₂ i-i ,ma des Massenflusses aus der Ausgabeöffnung 21 -1 an den Bereich m ₂ i-2,min bis m2i- ₂ ,max des Massenflusses aus der Ausgabeöffnung 21 -2 an, und so weiter bis 21 -7. Die angrenzenden Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -7 bilden zusammen einen gesamten Ausgabebereich, in dem die Ausgabe bezüglich Strömungsgeschwindigkeit, Massen- fluss und Druckdifferenz variiert werden kann, ohne den Betrieb zu unterbrechen. Die Ausgabebereiche der Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n können auch teilweise über- läppend sein, so dass ein sanfter Übergang zwischen den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n möglich ist.

Wenn der Massenfluss des Kohlenwasserstofffluids für den gesamten Kohlenwas- serstoffeinlass 5 gesehen gleich bleiben soll, können mehrere Kohlenwasserstofflei- tungen 18-1 , 18-n gleichzeitig eingesetzt werden, wobei ausgehend von einer anfänglichen Anzahl von Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n das Kohlenwas- serstofffluid durch eine oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n zusätzlich oder weniger in die Reaktorkammer 2 eingeleitet wird. Beispielsweise wird das Kohlenwasserstofffluid zuerst aus den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n von vier Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n mit einer ersten Druckdifferenz ausgegeben. Dann wird das Kohlenwasserstofffluid zuerst aus den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21 -n von fünf Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n mit einer zweiten Druckdifferenz ausgegeben, wobei der Massenfluss insgesamt gleich bleibt, unabhängig davon aus wie vielen Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n das Kohlenwas- serstofffluid zur Plasmazone 13 fließt.

Ein längerer ununterbrochener Betrieb des Plasmareaktors 1 kann in folgender Weise unabhängig davon erreicht werden, ob der Kohlenwasserstoffeinlass 5 eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere 17 Kohlenwasserstoffleitungen 18- 1 , 18-n aufweist. Zuerst wird Kohlenwasserstofffluid in Richtung zur Plasmazone 13 eingeleitet. Durch die Hitze wird das Kohlenwasserstofffluid zersetzt, und es entstehen C-Partikel und Wasserstoff. Die C-Partikel strömen wegen der Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 und ihrem Impuls weiter zur Plasmazone 13. Wie oben erwähnt, dauert die Zersetzung des Kohlenwasserstofffluids und die Bildung von C-Partikeln gemäß Berechnungen des Erfinders etwa 8-12 ms (durchschnittlich 9 ms). In einem konkreten Beispiel braucht ein Fluid, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit v = 100 m/s aus einer Kohlenwasserstoffleitung 18 oder 18-1 , 18-n ausströmt, 10 ms bis zum Erreichen der Plasmazone 13, wenn der Kohlenwasser- stoffeinlass 5 (d.h. die Ausgabeöffnungen 21 oder 21 -1 , 21-n) 1 m von der Plasmazone entfernt ist. Die Zersetzung des Kohlenwasserstofffluids und Wachstum der fertigen C-Partikel benötigt nach Berechnungen der Erfinder in diesem Fall etwa 9 ms. Daher erreichen zwar C-Partikel die Plasmazone 13, das Plasma stellt aber eine Barriere für die C-Partikel dar. Um in die Plasmazone 13 einzudringen ist eine Min- destenergie (Impuls) notwendig. Beim Eindringen in die Plasmazone 13 werden kleine C-Partikel stärker abgebremst als große C-Partikel, da ein proportional größerer Teil des Impulsverlustes aus dem Anteil der Geschwindigkeit kommen muss. Die Betriebstemperatur im Plasmareaktor 1 liegt bei 2500-3500°C zwischen dem Lichtbogen am Brennerteil 1 1 und der Reaktorwand 3, wobei die Temperatur in Richtung der Reaktorwand 3 abnimmt. Die Sublimationstemperatur von Graphit (C-Partikel) beträgt etwa 3800°C. Da die Temperatur in der Plasmazone 13 ca. 5000-15000°C beträgt, sublimieren die C-Partikel nach Eintritt in die Plasmazone 13 kontinuierlich unter Rückbildung zu atomarem Kohlenstoff (C-Atom). Die Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids werden daher so gesteuert, dass auch große C-Partikel erzeugt werden. Die Parameter zur Einleitung werden beispielsweise basierend auf dem Kennfeld im Speicher der Steuervorrichtung des Plasmareaktors 1 eingestellt. Eine Größenverteilung der Kohlenstoffpartikel wird beispielsweise mittels folgender Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid beeinflusst: Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses; Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck des Kohlenwasserstofffluids an einer Stelle vor dem Koh- lenwasserstoffeinlass und (ii) einem Druck in der Reaktorkammer oder einem Druck nach dem Auslass; Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids am Koh- lenwasserstoffeinlass. Weiter kann die Größe der C-Partikel mittels der Vorrichtung 24 zur Messung der Partikelgröße gemessen werden. Das Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstofffluids aus dem Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. Ausgabeöffnung(en) 21 oder 21 -1 , 21 -n) ist besonders vorteilhaft. Aus der Strömungsgeschwindigkeit v berechnet sich mit der Masse des Kohlenwasserstoffs m ein Impuls p = m v, der über die Strömungsgeschwindigkeit v variiert werden kann. Da der Kohlenwasserstoff unter Bildung von C-Atomen zersetzt wird, und der Impuls p = m v gemäß dem Impulserhaltungssatz gleich der Summe der Einzelimpulse ist (p = Σ Π| Pi = n _c p _c + n _H 2 ΡΗΣ), hängt der Impuls eines einzelnen C-Atoms nicht von der Art des Kohlenwasserstofffluids ab sondern von der Strömungsgeschwindigkeit v: p _c = m _c v. Die Masse eines C-Atoms ist eine Konstante, und der Impuls eines C- Partikels setzt sich additiv aus den Impulsen der C-Atome zusammen, aus denen er besteht. Impuls eines C-Partikels mit n C-Atomen: Pc- _pa rticie = n m _C - _a tom v. Der Impuls eines C-Partikels hängt also nur von der Zahl seiner Kohlenstoffatome (also der Teilchengröße) und der Strömungsgeschwindigkeit v ab.

Die Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids werden basierend auf dem Kennfeld so gesteuert, dass zumindest ein Teil der C-Partikel ausreichend groß wird, um die Plasmazone 13 zu durchschlagen und zu den Elektroden des Plasmabrenners 7 zu wandern. Insgesamt unterliegt die Anzahl und Größe der C-Partikel (und die Gesamtzahl darin enthaltener Kohlenstoffatome) einer statistischen Verteilungsfunktion, wobei alle C-Partikel eine Geschwindigkeit abhängig von der Strömungsge- schwindigkeit aus den Ausgabeöffnung(en) 21 oder 21 -1 , 21 -n haben. Durch Einstellung der Parameter zur Einleitung des Kohlenwasserstofffluids (insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit v), kann die statistische Verteilungsfunktion der Größe der C-Partikel so beeinflusst werden dass ein kleiner Teil der C-Partikel ausreichend groß ist und genügend kinetische Energie (Impuls) hat, um in die und durch die Plasmazone 13 zu gelangen. Trotzdem diese ausreichend großen C-Partikel einer Sublimation in der Plasmazone 13 unterliegen, lagert sich ein Teil dieser C-Partikel an der Elektrode an und gleicht Erosion aus.

Für die Durchdringung der Plasmazone und das Auftreffen auf die Elektrodenenden ist die Partikelgröße nicht der alleinige entscheidende Parameter, sondern auch der Impuls der Teilchen. Daher kann eine definitive Partikelgröße nicht angegeben werden. Als Richtwert kann man annehmen, dass ein kleines Teilchen einen Durchmesser von weniger als 20 nm hat, ein mittelgroßes Teilchen einen Durchmesser von 20 nm bis 60 nm hat, und ein großes Teilchen einen Durchmesser von mehr als > 60 nm hat. Kleine C-Partikel können nicht in die Plasmazone 13 eindringen. Mittelgroße C- Partikel können zwar in die Plasmazone 13 eindringen, werden aber stark abge- bremst. Die kleinen und mittelgroßen C-Partikel sublimieren zu C-Atomen und strömen seitlich zur Reaktorwand 3, wobei sich die C-Atome beim Abkühlen neu zu kleinen C-Partikeln formen. Da das gesamte H ₂ /C-Aerosol gleichbleibend abkühlt kommt es nicht zum Aufwachsen von„kaltem Methan" auf bestehenden C-Partikeln (wie bei WO93/20152).

Durch die Ausrichtung des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 (d.h. der Ausgabeöff- nung(en) 21 oder 21-1 , 21-n) können also die großen C-Partikel mit großer kinetischer Energie in die Plasmazone 13 eindringen und diese durchschlagen, während sich gleichzeitig kleine und mittelgroße C-Partikel nach einer Sublimation an oder in der Plasmazone 3 zu sehr kleinen C-Partikeln umformen. Die Größe der C-Partikel, die seitlich zur Reaktorwand 3 und nach unten zum Auslass 15 strömen, ist also kleiner als bei bekannten Plasmareaktoren, nämlich im Bereich von kleiner als 50 nm Durchmesser, bevorzugt kleiner als 30 nm Durchmesser. Weiter werden die Dicke der Ablagerung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden und die Zeit des Einleitens von Kohlenwasserstofffluid gemessen.

Die Strömungsgeschwindigkeit v, mit der das Kohlenwasserstofffluid eingeleitet wird, wird so eingestellt, dass die Abscheidung des Kohlenstoffs auf den Elektrodenenden genauso schnell erfolgt wie die Erosion der Elektrode infolge von Sublimation des Kohlenstoffs. Der Widerstand, den das Plasmagas den C-Partikeln entgegen bringt, hängt von der Zusammensetzung des Plasmagases, seiner Strömungsgeschwindigkeit, seiner Viskosität (Temperatur, lonisierungsgrad) und seiner Ausdehnung (Reaktordesign, Massenstrom pro Zeiteinheit) ab. Es sei bemerkt, dass es für einen gege- benen Plasmareaktor 1 nicht eine feste Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffes gibt, bei der die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Elektrode immer gleich der Erosion durch Sublimation ist. Dieses Gleichgewicht hängt von vielen Sekundärparametern ab, die unabhängig voneinander variiert werden können. Beispielsweise kann die Leistung der Elektrode (die eingespeiste Strommenge in MW und damit die von der Elektrode in den Plasmareaktor 1 eingeleitete Energie) deutlich erhöht werden, wenn man den Kohlenstoffauftrag auf der Elektrode entsprechend erhöht. Die durch die elektrische Leistungssteigerung erhöhte Sublimationsrate des Elektrodenmaterials wird durch einen höheren Kohlenstoffauftrag kompensiert und die Elektrode bleibt praktisch erosionsfrei. Durch gezielte Ablagerung von C-Partikeln an der Elekt- rode kann also nicht nur die Lebensdauer der Elektrode sondern gleichzeitig auch die Kapazität des Plasmareaktors 1 erhöht werden. Es sei bemerkt, dass die hier beschriebenen Verfahren unabhängig davon ausgeführt werden können, ob der Kohlenwasserstoffeinlass 5 eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n aufweist. Bei ei- nem Ausführungsbeispiel mit mehreren Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n ist es möglich, wenigstens einen Parameter der Ausgabe von Kohlenwasserstofffluid aus den Kohlenwasserstoffleitungen separat zu steuern, insbesondere einen Strömungsquerschnitt des Kohlenwasserstoffeinlasses 5 (durch Umschalten zwischen den Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n oder durch Verwendung von mehr als einer Kohlenwasserstoffleitung 18-1 , 18-n); eine Druckdifferenz zwischen (i) einem Druck an einer Stelle vor dem Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. vor den Ausgabeöffnungen 21 -1 , 21-n) und einem Druck in der Reaktorkammer 2 oder einem Druck an einer Stelle nach dem Auslass 15 und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit v des Kohlenwasserstofffluids am Kohlenwasserstoffeinlass 5 (d.h. an den Ausgabe- Öffnungen 21 -1 , 21 -n). Weiterhin gilt folgende Beziehung für alle hier beschriebenen Verfahren unabhängig davon, ob eine einzelne Kohlenwasserstoffleitung 18 oder mehrere Kohlenwasserstoffleitungen 18-1 , 18-n vorgesehen sind:

m = 60-rr-v(d/2) ²

wobei gilt:

m - Massenfluss (m ³ /min) aus einer Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21-n v - Ausgabegeschwindigkeit (m/s)

d - Durchmesser einer Ausgabeöffnung 21 oder 21-1 , 21 -n

Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die ein- zelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass da- durch der Erfindungsgedanke verlassen wird.