УСТРОЙСТВО С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ НАСАДКОЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С ПРЯМЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ Российский патент 2022 года по МПК H05B3/02 H05B3/60 F27D11/04 

Настоящее изобретение относится к нагреваемому устройству с насадкой для проведения эндотермических реакций, которое может быть разделено на верхнюю, среднюю и нижнюю секции устройства, причем верхняя и нижняя секции устройства электрически изолированы от средней секции устройства, по меньшей мере с одной вертикально расположенной парой электродов, которая подключена через выдерживающую давление рубашку устройства в верхней и нижней секции устройства, и с электропроводящей твердотельной насадкой, которая электрически изолирована от боковой стенки средней секции устройства.

Сильно эндотермические реакции часто являются началом производственной цепочки в химической промышленности, например, при крекинге нефтяных фракций, риформинге природного газа или лигроина, дегидрировании пропана, дегидроароматизации метана до бензола или пиролизе углеводородов. Для достижения технически и экономически привлекательных выходов необходимы температуры между 500 и 1700°С. Причина этого заключается в основном в термодинамическом ограничении равновесной конверсии.

Эндотермические высокотемпературные реакции создают два основных требования для технической реализации: во-первых, подвод тепла с высокой энергетической плотностью при требуемой температуре реакции и, во-вторых, интегрированная рекуперация тепла между потоками продуктов и исходных веществ. Благодаря интегрированной рекуперации тепла, разница температур между температурой хранения продуктов/исходных веществ и требуемой температурой реакции может быть восполнена с минимальным расходом энергии.

В уровне техники для интегрированного с тепловыми процессами проведения эндотермических процессов используют реакторы с псевдоожиженным слоем (Levenspiel, О. (1988), Chemical engineering's grand adventure. Chemical Engineering Science, 43 (7), 1427-1435). Для теплоснабжения эндотермической реакции используют различные концепции.

В патенте США US 2002/0007594 раскрывается способ параллельного получения водорода и углеродсодержащих продуктов, в котором природный газ вводят в реакционное пространство и термически разлагают в присутствии богатого углеродом твердого вещества. В US 2002/0007594 раскрывается, что углеродсодержащее твердое вещество нагревают в реакторе, отделенном от реакционного пространства термического разложения. Нагревание происходит посредством отходящих газов возникающих при сгорании углеводородов или водорода. Затем нагретое твердое вещество вводят в реакционное пространство.

Недостаток использования твердого вещества в качестве теплоносителя состоит в том, что твердое вещество должно нагреваться выше уровня температуры реакции в отдельной камере сгорания и циркулировать между камерой сгорания и реакционной камерой. Эксплуатация горячего твердого вещества приводит к экстремальным термическим и механическим нагрузкам на реактор и управляющие устройства. Кроме того, поток твердых частиц связан с теплопотреблением реакции, и равномерное распределение массовых потоков по поперечному сечению является необходимым условием для достижения оптимальной интеграции тепла. Следовательно, соотношение между потоком газа и потоком твердых частиц можно регулировать только в узком диапазоне.

В международной заявке WO 2013/004398 раскрывается, что тепловая энергия для теплоносителя вырабатывается за пределами реакционного пространства, и применяется газообразный теплоноситель, который является инертным по отношению к реакции разложения и/или является продуктом указанной реакции. Недостатком является то, что поток твердых частиц связан с требованиями интеграции тепла. Кроме того, поток продукта реакции разложения проходит через область падения температуры, в котором может иметь место обратная реакция.

В уровне техники (например, патенте США US 6,331,283) дополнительно раскрываются автотермические способы, в которых тепло, требуемое для эндотермической реакции, образуется в результате экзотермической сопутствующей реакции в том же реакционном пространстве. Недостатком указанных автотермических способов является загрязнение потока газообразных продуктов дымовыми газами, например, в случае пиролиза углеводородов унос углерод-содержащих компонентов в обогащенный водородом поток продуктов. Кроме того, невыгодными являются потери в выходе продукта, в случае пиролиза углеводородов существенная потеря пиролизного углерода.

Поэтому тепло может передаваться не напрямую, например, рекуперативно (например, ЕР 15168206) или по тепловым трубам (например, US 4372377) от экзотермической к эндотермической реакционной камере. Недостатком данной концепции являются сложные конструкции в горячей секции реакционной камеры, которые выдвигают высокие материальные и конструктивные требования к уплотнению и недопущению термических напряжений. Кроме того, данные внутренние конструкции мешают потоку твердых частиц. Другой проблемой данной концепции является загрязнение поверхностей теплообменника; например в случае пиролиза углеводородов осаждение пиролитического углерода предпочтительно происходит на горячих поверхностях.

В патенте США US 2,982,622 описан интегрированный с тепловыми процессами пиролиз углеводородов в подвижном слое из инертных материалов. Необходимые для пиролиза температуры от 1200°С достигаются с помощью электрического нагрева. На двух фигурах патента США US 2,982,622 электроды расположены горизонтально. Возможность вертикального расположения раскрыта в описании. Из фигуры патента US 2982622 можно сделать вывод, что вводы электродов расположены в горячей зоне реактора. В результате этого проявляются несколько недостатков; с одной стороны, вводы электродов образуют тепловой мост, который может вызывать существенные тепловые потери, а с другой стороны, ввод сам по себе является механически сложным, так как он должен проходить через слои с различным тепловым расширением, т.е. стенка реактора выполнена из стали, а теплоизоляционные слои - из минеральных материалов. В результате этого ввод может испытывать высокие изгибающие моменты. Кроме того, вводы электродов должны иметь высокую термостойкость и, следовательно, необходимо принимать во внимание определенное электрическое сопротивление материала; обычно используют графит.

В патенте США US 2,799,640 описано получение ацетиленов в реакторе с псевдоожиженным слоем, причем необходимая энергия подводиться электрически. Электроды могут быть расположены горизонтально или вертикально. Для вертикального расположения раскрыта кольцеобразная, спицевидная электродная решетка. Описано, что вертикальное расположение обеспечивает хорошее распределение электрического тока по всему пространству реактора. Из фигур в патенте US 2,799,640 видно, что как при горизонтальном, так и при вертикальном расположении электродов вводы электродов находятся в горячей зоне реактора.

Австрийский патент AT 175243 описывает электрическую печь с двумя вертикально расположенными электродами для передачи тока на сыпучий материал, расположенный в шахте печи, причем верхний электрод выполнен в виде горизонтального прямолинейного полого корпуса с внутренним охлаждением и расположен внутри насадки из сыпучего материала. В данном раскрытии ввод электродов также находится в горячей зоне реактора и проходит через футерованную крышку реактора.

Швейцарский патент СН 278580 раскрывает шахтную печь с двумя вертикально расположенными кольцевыми электродами для передачи тока на сыпучий материал, расположенный в шахтной печи, причем верхний электрод расположен внутри насадки из сыпучего материала, в то время как нижний электрод расположен непосредственно над горловиной для ввода газа. В данном раскрытии ввод электродов также находится в горячей зоне реактора и проходит через боковую стенку футерованного реактора.

Патент США US 3,259,565 раскрывает электрически обогреваемый реактор с псевдоожиженным слоем для пиролиза углеводородов. В документе не раскрываются какие-либо подробности о геометрическом расположении и конструктивном исполнении электродов. На фигуре 2 патента US 3,259,565 показан ввод линий электроснабжения через боковую стенку реактора. Поэтому указанное решение также имеет недостатки, упомянутые выше.

Существенным преимуществом горизонтального расположения электродов является то, что электроды не перекрывают поперечное сечение реактора. Кроме того, при горизонтальном расположении посредством вертикально разделенных электродов электрический ток и, следовательно, тепловая мощность могут распределяться целенаправленно вдоль направления потока.

В качестве преимуществ вертикального расположения следует назвать распределение тока по большой площади поперечного сечения реактора, кроме того параллельная ориентация линий электрического потенциала в направлении потока и возможность постоянного тока по всей высоте реактора.

В патентах США US 5,903,591, US 5,406,582 и US 5,974,076 описаны устройство и способ активации или регенерации углерода в эксплуатируемом без давления трубчатом реакторе, который состоит из двух или более зон, расположенных одна над другой. Углерод на верхнем конце через загрузочную воронку, которая соединена с реактором, вводят в верхнюю зону, а затем направляют в соответствующие следующие зоны через воронкообразные распределители. Реактор нагревают электрически, причем электрический ток подают в верхнюю зону через загрузочную воронку, а в средние зоны через воронкообразные распределители. При этом не описываются подробности соединений загрузочной воронки, соединительного элемента и электродов. В патенте США US 5,903,591 соответственно раскрыты как вводы электродов в горячей зоне реактора, так и плоское запорное устройство через внешнюю загрузочную воронку в холодной зоне. Недостаток данного изобретения состоит в том, что электрический ток распределяется на слой углерода не только через электрод, но и по стенке загрузочной воронки. Еще одним недостатком является то, что соединение электрода с токопроводящим корпусом создает дополнительные контактные сопротивления, которые приводят к нежелательному рассеиванию электрической энергии в тепловую энергию. Кроме того, места сопряжения материалов на соединительных элементах представляют собой слабые места для механической устойчивости электродов. Наконец, перекрытие поперечного сечения графитовым электродом, сформированного в виде блока, приводит к неравномерному распределению потока твердых веществ по поперечному сечению реактора.

В патенте США US 5,946,342 описано получение и активация активированного угля в подвижном слое с электрическим обогревом. На фигуре 3 патента US 5,946,342 показаны выполненные в форме кольца электроды с большой площадью поперечного сечения >50%. Электроды изготовлены из углерода и имеют заостренные концы, параллельные направлению потока активированного угля. Конкретное контактирование электродов не описано; из фигуры 3 патента US 5,946,342 видно, что контакт осуществляется не через колпак реактора.

В патенте США US 7,288,503 также описано получение и активация активированного угля в неподвижном слое с электрическим обогревом. Используют стержневые электроды; ввод электродов осуществляют через крышку, и электроды являются изолированными от крышки (см. фиг. 3 патента US 7,288,503).

В заявке на патент DE 10236019 А1 описан реактор для проведения эндотермических реакций, который оборудован одним или несколькими нагревательными блоками, которые полностью заполняют поперечное сечение реактора и которые электрически изолированы от внутренней стенки реактора и при необходимости друг от друга, причем нагревательные блоки образованы из пеноматериала с открытыми порами. Тип и способ контактирования электродов не описан.

Несмотря на множество преимуществ электрического обогрева:

(i) Мощность нагрева в основном постоянна во всем температурном диапазоне и не ограничена температурой теплоносителя.

(ii) Отсутствие топливных материалов и теплоносителя упрощает конструктивное исполнение реактора и экономит контуры управления для дозирования соответствующих потоков материалов в периферии реакционной зоны. Кроме того, исключается загрязнение/разбавление технологических потоков посторонними веществами. В результате чего повышается эксплуатационная надежность реактора.

(iii) Мощность нагрева может быть достигнута в простом реакторе без встроенных элементов, т.е. с неструктурированным поперечным сечением. В результате чего обеспечивается надежное масштабирование.

(iv) Обогрев не имеет локальной эмиссии вредных веществ. При использовании регенеративных источников, не содержащих СО₂, обогрев фактически полностью не имеет эмиссии вредных веществ,

поэтому до сих пор решающим недостатком нагрева являлось то, что электроэнергия стоит дороже по сравнению с ископаемыми источниками энергии. Однако указанный недостаток в ближайшие несколько лет должен исчезнуть из-за перехода на альтернативные источники энергии.

Кроме того, до сих пор отсутствует концепция реактора для эффективного ввода и равномерного распределения электрической энергии в реакторах с насадками для проведения эндотермических газофазных или газотвердотельных реакций при высоких температурах. Указанные в цитированном уровне техники подходы для контактирования электродов через рубашку реактора оказываются неосуществимыми при реализации на практике. Во-первых, ввод электрических соединений в горячей зоне реактора является чрезвычайно затратным и подверженным поломкам. Во-вторых, контакт электродов с источником тока является почти точечным. Указанный признак имеет несколько недостатков: Электрический ток распределяется неравномерно по поперечному сечению насадки. Кроме того, соединительные элементы, которые обеспечивают электрическое контактирование электродов, имеют небольшую площадь поперечного сечения и, следовательно, высокое электрическое сопротивление. В результате значительная часть вводимой электрической энергии рассеивается в соединительных элементах и в самом электроде, в частности, если он состоит из графита. Следовательно электрическая энергия недостаточно используется в насадке реактора. Дополнительно соединительные элементы и/или электрод должны целенаправленно охлаждаться, что требует дорогой и сложной конструкции устройства. В-третьих, конструкция электродов и соответствующих соединительных элементов не является масштабируемой: следовательно, эксплуатационные условия в испытательном реакторе с небольшой площадью поперечного сечения не являются репрезентативными для технического устройства с большой площадью поперечного сечения.

В промышленности в настоящее время электрический нагрев используется только в нескольких крупных процессах; например в химической газофазной реакции аммиака и углеводородов с получением синильной кислоты при температурах от 1300 до 1600°С в реакторе с псевдоожиженным слоем из электропроводящих частиц углерода, или в производстве карбида кальция в плавильных восстановительных печах при температурах от 2000°С до 2300°С. На фигуре 2 патента США US 3,157,468 показан реактор получения синильной кислоты с вертикально расположенными электродами в форме стержня, который имеет для каждого электрода собственный ввод. В энциклопедии Ульманна, глава «Карбид кальция», упоминается предварительно обожженные угольные электроды или самоспекающиеся электроды Содерберга. Обычным в предшествующем уровне техники типом являются полые электроды типа Содерберга. Электроды работают с трехфазным переменным током и контактируют по их окружности с охлаждаемыми клеммами. Поскольку углерод является исходным материалом для производства карбида кальция, то электроды расходуются и требуют наращивания. Недостатками указанных исполнений являются трудоемкий ввод отдельных электродов через корпус реактора, поскольку каждый ввод должен быть отдельно герметизирован и иметь электрические контакты, а также должен обеспечивать возможность контролируемого осевого перемещения электрода. Кроме того, количество требуемых вводов увеличивается пропорционально площади поперечного сечения реактора.

В промышленных реакторах разница температур между центральной осью и корпусом реактора может составлять более 500K. При данных эксплуатационных условиях раскрытые конфигурации электродных решеток, которые выполнены за одно целое и жестко закреплены по окружности, могут давать трещины.

В настоящее время не имеется коммерчески эксплуатируемого реактора с электрическим подогревом и насадкой для проведения эндотермических реакций в газовой фазе или газо-твердотельных реакций.

Большинство традиционно эксплуатируемых высокотемпературных процессов обогревают с помощью печей сгорания. Указанные способы не могут обходиться без экспорта энергии для экономически оправданной работы; только около 50% тепла, выделяемого в процессе, фактически используется для эндотермической реакции. Поэтому полная тепловая интеграция является пока еще недостижимой целью.

Поэтому задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы продемонстрировать адаптируемую, масштабируемую концепцию устройства с электрическим нагревом, в частности концепцию реактора, выдерживающего давление, для класса эндотермических высокотемпературных процессов, использующих структурированное пространство. Еще одной задачей было подведение электрической энергии в зону нагрева устройства, в частности реактора, с небольшими потерями. Это означает, что преимущественно более 99% электрической энергии, вводимой в устройство, должно выделяться в зоне нагрева. Еще одной задачей было обеспечить, чтобы ток протекал как можно более равномерно по всей длине зоны нагрева; за счет чего может быть достигнут приблизительно равномерный нагрев насадки и, следовательно, линейное протекание взаимодействий. Еще одна задача состояла в том, чтобы продемонстрировать устройство с насадкой, в частности, реактор с насадкой, который имеет как можно более полную тепловую интеграцию. Еще одна задача заключалась в том, что апробации в испытательном реакторе с небольшой площадью поперечного сечения должны быть репрезентативными для промышленного устройства, в частности для промышленного реактора. Кроме того, устройство с электрическим нагревом, в частности реактор с электрическим нагревом, в основном должно иметь простую конструкцию с аппаратной точки зрения.

Неожиданно удалось продемонстрировать электрически нагреваемое устройство, выдерживающее давление, с насадкой, в частности реактор, с верхней (3), средней (1) и нижней (3) секцией устройства, причем в средней секции (1) встроена/установлена по меньшей мере одна вертикально расположенная пара электродов (4,5), и все электроды установлены/погружены в электропроводящую твердотельную насадку (26), верхняя и нижняя секции устройства имеют удельную проводимость от 10⁵ См/м до 10⁸ См/м, а средняя секция устройства электрически изолирована от твердотельной насадки, отличающееся тем, что верхняя и нижняя секции устройства электрически изолированы от средней секции устройства, верхний электрод подключен через верхнюю секцию устройства, а нижний электрод подключен через нижнюю секцию устройства, или каждый из электродов подключен через один или несколько электрически контактирующих с указанными секциями соединительных элементов (10, 16), и отношение площади поперечного сечения верхнего и/или, предпочтительно и, нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента или, без использования соединительного элемента, отношение площади поперечного сечения верхнего и/или, предпочтительного и, нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей секции устройства составляет от 0,1 до 10.

Устройство согласно изобретению также обозначается далее как «реактор».

В настоящей заявке под «устройством, выдерживающим давление» понимают устройство, которое выдерживает перепад давления более 0,5 бар между его внутренней частью и окружающей средой.

В настоящей заявке под «колпаком» понимают торцевой участок корпуса реактора, выдерживающего давление.

Под «соединительным элементом» в настоящей заявке понимают конструктивные элементы устройства, которые соединены с колпаком с возможностью проведения электричества и которые проводят электрический ток от точек подсоединения на колпаке к электродам. Соединительным элементом является, например, фартук, закрепленный на колпаке реактора (см. Фиг. 1а).

Соединительные элементы преимущественно расположены на внешней окружности твердотельной насадки. Площадь просвета поперечного сечения соединительного элемента, т.е. площадь, окруженная соединительным элементом, предпочтительно составляет более 90%, предпочтительно более 95%, в частности более 98% площади поперечного сечения твердотельной насадки. Особенно предпочтительно соединительные элементы подсоединены на одном уровне в окружном направлении с окантовкой твердотельной насадки. Преимущественно соединительные элементы имеют цилиндрическую или призматическую форму. Соединительные элементы преимущественно перекрывают по горизонтали менее 10%, предпочтительно менее 5%, в частности менее 2% площади поперечного сечения твердотельной насадки; особенно предпочтительно соединительные элементы не входят по горизонтали в твердотельную насадку. Соединительные элементы преимущественно состоят из того же материала, что и электроды.

Под "поперечным сечением соединительного элемента" в настоящей заявке понимают поверхность сечения между соединительным элементом и любой горизонтальной плоскостью с наименьшей площадью, которая пересекает соединительный элемент (см. Фиг. 1b).

В настоящей заявке под «поперечным сечением электрода» понимают поверхность сечения между электродом и токопроводящим соединительным элементом, контактирующим с электродом (см. Фиг. 1с).

Под «поперечным сечением верхней или нижней секции устройства» в настоящей заявке понимают поверхность сечения между верхней или нижней секцией устройства и любой горизонтальной плоскостью с наименьшей площадью, которая пересекает указанные секции (аналогично соединительному элементу на фиг. 1b).

Под «электрически изолированным» в настоящей заявке понимают омическое сопротивление более чем 1 кОм, предпочтительно, более чем 100 кОм, в частности более чем 1 МОм, между твердотельной насадкой и боковой стенкой средней секции реактора, а также между верхней и нижней секциями реактора, например колпаком, и боковой стенкой средней секции реактора, измеренное в соответствии со стандартом DIN VDE 0100-600: 2017-06 (дата выпуска 2017-06).

Под «боковой стенкой реактора» в настоящей заявке понимают в основном вертикально направленный участок корпуса реактора (1). Вдоль боковой стенки горизонтальные сечения через реактор имеют в основном одинаковую площадь (площадь поперечного сечения твердотельной насадки).

Отношение площади поперечного сечения верхнего и/или нижнего электрода, предпочтительно верхнего и нижнего электрода, к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента преимущественно составляет от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,3 до 3, в частности от 0,5 до 2. Преимущественно площадь поперечного сечения электрода (например, площадь поперечного сечения всех электродных перемычек электрода в форме сетки) находится в диапазоне от 0,1 см² до 10000 см², предпочтительно от 1 см² до 5000 см², в частности от 10 см² до 1000 см². Преимущественно площадь поперечного сечения одного или нескольких токопроводящих соединительных элементов находится в диапазоне от 0,1 см² до 10000 см², предпочтительно от 1 см² до 5000 см², в частности от 10 см² до 1000 см². Вычисление отношения (площадь сечения _{электрода (верхнего}/площадь сечения _{соединительного элемента (верхнего)}) или соответственно (площадь сечения _{электрода (нижнего}/площадь сечения _{соединительного элемента (нижнего)}) проиллюстрировано на фигурах 22 и 23.

Без использования соединительного элемента (между электродом и верхней или соответственно нижней секциями устройства) отношение площади поперечного сечения верхнего и/или нижнего электрода, предпочтительно верхнего и нижнего электрода, к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей секции устройства преимущественно составляет от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,3 до 3, в частности от 0,5 до 2. Преимущественно площадь поперечного сечения электрода находится в диапазоне от 0,1 см² до 10000 см², предпочтительно от 1 см² до 5000 см², в частности от 10 см² до 1000 см². Преимущественно площадь поперечного сечения верхней и/или нижней секции устройства находится в диапазоне от 0,1 см² до 10000 см², предпочтительно от 1 см² до 5000 см², в частности от 10 см² до 1000 см².

Преимущественно между верхней и нижней секцией устройства, например, между двумя колпаками реактора, устанавливают разность потенциалов (напряжение) от 1 вольт до 10000 вольт, предпочтительно от 10 вольт до 5000 вольт, особенно предпочтительно от 50 вольт до 1000 вольт. Напряженность электрического поля между колпаками предпочтительно находиться между 1 В/м и 100000 В/м, предпочтительно между 10 В/м и 10000 В/м, более предпочтительно между 50 В/м и 5000 В/м, в частности между 100 В/м и 1000 В/м.

Удельная электрическая проводимость твердотельной насадки предпочтительно составляет от 0,001 См/см до 100 См/см, предпочтительно от 0,01 См/см до 10 См/см, в частности от 0,05 См/см до 5 См/см.

Твердотельная насадка преимущественно дает плотность электрического тока от 0,01 А/см² до 100 А/см², предпочтительно от 0,05 А/см² до 50 А/см², в частности от 0,1 А/см² до 10 А/см².

Реактор преимущественно разделен на несколько зон. Преимущественно снизу вверх расположены: выход для частиц, линия подачи газа (12), нижняя зона теплопередачи, нижний электрод (5), зона нагрева, верхний электрод (4) с необязательным боковым выводом (19), верхняя зона теплопередачи, выход потока газообразного продукта (7) и линия подачи потока частиц (6). Нижняя зона теплопередачи представляет собой вертикальный участок между верхним краем линии подачи газа и верхним краем нижнего электрода. Верхняя зона теплопередачи представляет собой вертикальный участок между нижним концом верхнего электрода и верхним концом твердотельной насадки. Зона нагрева в каждой точке поперечного сечения реактора определяется как вертикальный участок между нижним концом верхнего электрода и верхним концом нижнего электрода.

Преимущественно нижняя сторона верхнего электрода и верхняя сторона нижнего электрода являются горизонтальными по всему поперечному сечению реактора. Следовательно, длина зоны нагрева, в частности расстояние между электродами, преимущественно одинакова по всему поперечному сечению реактора. Обогреваемое поперечное сечение реактора предпочтительно составляет от 0,005 м² до 200 м², предпочтительно от 0,05 м² до 100 м², особенно предпочтительно от 0,2 м² до 50 м², в частности от 1 м² до 20 м². Длина зоны нагрева предпочтительно составляет между 0,1 и 100 м, предпочтительно между 0,2 и 50 м, особенно предпочтительно между 0,5 и 20 м, в частности между 1 и 10 м. Соотношение длины к эквивалентному диаметру зоны нагрева предпочтительно составляет от 0,01 до 100, предпочтительно от 0,05 до 20, особенно предпочтительно от 0,1 до 10, наиболее предпочтительно от 0,2 до 5.

Электроды преимущественно расположены внутри твердотельной насадки (см. фигуры 1 и 2). Вертикальное расстояние между верхним краем твердотельной насадки (самая нижняя точка в случае скоса) и нижним краем электродных пластин или соответственно, без использования электродных пластин, нижнего края электродных перемычек на верхнем электроде преимущественно составляет от 10 мм до 5000 мм, предпочтительно от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно от 200 мм до 2000 мм. Преимущественно указанный участок составляет от 1 до 50%, предпочтительно от 2 до 20%, особенно предпочтительно от 5 до 30% от общей высоты твердотельной насадки.

Вертикальное расстояние между верхним краем электродных пластин на нижнем электроде и входом газообразных исходных материалов предпочтительно составляет от 10 мм до 5000 мм, предпочтительно от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно от 200 мм до 2000 мм. Преимущественно указанный участок составляет от 1 до 50%, предпочтительно от 2 до 20%, особенно предпочтительно от 5 до 30% от общей высоты твердотельной насадки.

Вертикальное расстояние между линией подачи потока частиц (6) и верхним краем твердотельной насадки предпочтительно составляет от 50 мм до 5000 мм, предпочтительно от 100 мм до 3000 мм, особенно предпочтительно от 20 мм до 2000 мм.

Электроды могут иметь любую форму, известную специалисту в данной области. Например, электроды выполнены в виде решетки (фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14) или в виде стержней (фиг. 16).

При использовании стержней особенно предпочтительными являются заостренные электродные стержни. Верхний и нижний электродные стержни предпочтительно заостряются на стороне обращенной к зоне нагрева. Острие может быть конусообразным (рис. 16а) или клиновидным (рис. 16б). Соответственно, конец стержня может быть в виде точки или в виде линии. На фиг. 17 показан эскиз реактора согласно изобретению, снабженного электродами в форме стержня. На рисунке 18 показан подробный чертеж верхнего колпака реактора. В отличие, например, от патента США US 3,157,468 или патента США US 7,288,503, стержневые электроды соединены с колпаком с возможностью проведения электричества и совместно снабжаются электрическим током через колпак.

Предпочтительно электроды имеют форму решетки. Для формы в виде решетки возможны различные варианты осуществления, примерами являются ячеистые решетки из преимущественно правильных многоугольников (фиг. 12а), прямоугольные решетки (фиг. 12b), образованные из параллельных перемычек, спицевидные решетки (фиг. 13) или решетки из концентрических колец (фиг. 14). Особенно предпочтительными являются спицевидные решетки и решетки из концентрических колец.

Особенно предпочтительным является электрод в форме решетки, который жестко прикрепляется к внутренней стороне верхней или соответственно нижней секции устройства, например колпака, или к соединительному элементу, например фартуку, прикрепленному к секции устройства.

Под жестким креплением понимают соединение твердого тела с его окружением, с помощью которого не допускается относительное движение между телом и его окружением во всех направлениях.

Например, спицевидная решетка предпочтительно образована из перемычек, расположенных в форме звезды, которые подвешены к колпаку или закрепленному на нем соединительному элементу (фиг. 13а). В дополнение к термину «перемычка» в предшествующем уровне техники также используются термины «спица», «опора» или «шина».

В другом варианте осуществления спицевидная решетка предпочтительно образована из перемычек, расположенных в форме звезды, которые подвешены к колпаку и несут электродные пластины, выступающие перпендикулярно к ним (фиг. 13b). В дополнение к термину «электродная пластина» в предшествующем уровне техники также используются термины «крыло», «ребро», «боковая шина» или «боковая перемычка».

В другом варианте осуществления решетка предпочтительно образована из концентрических колец, которые соединены радиальными перемычками (фиг. 14а, 14b). Согласно определению в документе DE 69917761 Т2 [0004], указанная форма решетки является «фрактально масштабируемой».

Электроды, т.е. электродные перемычки и электродные пластины делят поперечное сечение реакционного участка на ячейки решетки. Реакционный участок представляет собой объем внутри реактора, заполненный твердотельной насадкой. Ячейки решетки представляют собой замкнутые или выпуклые сегменты поверхности поперечного сечения реактора, ограниченные электродной решеткой. В качестве примера, закрытые элементы поверхности показаны на фиг. 12а; они образованы ячеистой решеткой (46) внутри колпака (10) или (16). На фиг. 12b ячейки представляют собой, например, полосы между двумя соседними перемычками (46) и соответствующими дугообразными участками колпака. На фиг. 12-14 указанные поверхности представляют собой отдельные ячейки решетки, которые окружены непрерывными или пунктирными линиями. В качестве примера на фиг. 13а ячейки ограничены соседними спицами решетки (4, 5) и при необходимости пунктирными круговыми линиями или колпаком (10, 16). В качестве примера на фиг. 13b ячейки ограничены соседними электродными пластинами перемычки, соответствующим сегментом перемычки и пунктирной центральной линией между двумя соседними решетками. В качестве примера ячейки на фиг. 14а и 14b представляют собой закрытые элементы поверхности, которые ограничены соседними перемычками и кольцами, или соответственно колпаком реактора.

Ячейки решетки характеризуются следующими параметрами: открытое поперечное сечение, эквивалентный диаметр, отклонение от окружности и перекрытие поперечного сечения.

Под термином «открытое поперечное сечение» в настоящем изобретении понимают площадь поперечного сечения ячейки, через которую может протекать поток. Под термином «эквивалентный диаметр» в настоящем изобретении понимают диаметр круга с такой же площадью, что и ячейка решетки. Под термином «отклонение от окружности» в настоящем изобретении понимают минимальную ширину кольца между двумя кругами с общим центром, которое полностью окружает краевые линии ячейки решетки. Отклонение от окружности имеет размерность длины. Отклонение от окружности круга равно нулю. Под термином «перекрытие поперечного сечения» в настоящем изобретении понимают долю поперечного сечения твердотельной насадки, которая покрывается электродом, в пересчете на общую площадь поперечного сечения твердотельной насадки (реакционная зона).

Открытое поперечное сечение ячеек решетки предпочтительно составляет от 4 см² до 10000 см², предпочтительно от 20 см² до 3000 см², особенно предпочтительно от 100 см² до 1000 см². Таким образом, открытое поперечное сечение не зависит от диаметра реактора, а количество ячеек решетки приблизительно пропорционально поперечному сечению реактора.

Эквивалентный диаметр ячеек решетки предпочтительно составляет между 10 мм и 2000 мм, предпочтительно между 20 мм и 1000 мм, особенно предпочтительно между 50 мм и 500 мм.

Отклонение от окружности ячеек решетки предпочтительно составляет между 1 см и 10 м, предпочтительно между 1 см и 2 м, особенно предпочтительно между 1 см и 1 м, в частности между 1 см и 50 см. Относительное отклонение от окружности определяется как отношение отклонения от окружности к эквивалентному диаметру ячейки решетки. Предпочтительно относительное отклонение от окружности больше или равно 0 и меньше 100, предпочтительно больше или равно 0 и меньше 10, в частности больше или равно 0 и меньше 5. В качестве примера отклонение от окружности отдельных ячеек решетки показано на эскизах на фиг. 12а, 12b и 13а.

Перекрытие поперечного сечения электродов составляет преимущественно между 1% и 50%, предпочтительно между 1% и 40%, особенно предпочтительно между 1% и 30%, в частности между 1% и 20%.

Удельная поверхность электродов в форме решетки, т.е. отношение длины окружности электрода (т.е. длины линии контакта между электродом и насыпным слоем в вертикальной проекции реактора) и поперечного сечения насыпного слоя предпочтительно составляет преимущественно от 0,01 до 500 м²/м³, предпочтительно от 0,1 до 100 м²/м³, более предпочтительно от 1 до 50 м²/м³, в частности от 2 до 20 м²/м³.

Материалом электродов, т.е. перемычек и электродных пластин, является преимущественно железо, чугун или стальной сплав, медь или сплав на основе меди, никель или сплав на основе никеля, тугоплавкий металл или сплав на основе тугоплавких металлов и/или электропроводящая керамика. В частности, перемычки состоят из стального сплава, например, с номером материала 1.0401, 1.4541, 1.4571, 1.4841, 1.4852, 1.4876 в соответствии с DIN EN 10027-2 (дата выпуска 2015-07), из сплавов на основе никеля, например, с номером материала 2.4816, 2.4642, из титана, в частности сплавы с номерами материалов 3.7025, 3.7035, 3.7164, 3.7165, 3.7194, 3.7235. Среди тугоплавких металлов особенно предпочтительными являются Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W или их сплавы; предпочтительно Mo, W и/или Nb или их сплавы, в частности молибден и вольфрам или их сплавы. Кроме того, перемычки могут содержать керамику, такую как карбид кремния и/или углерод, например графит, при этом керамика может быть монолитной или композитным материалом, армированным волокнами (например, керамическим матричным материалом, англ. Ceramic Matrix Compound, CMC, или например, углеродным волокнистым композитом, англ. Carbon Fiber Composite, CFC).

Материал электродов предпочтительно выбирают в зависимости от температуры эксплуатации. Сталь преимущественно выбирают для диапазона температур от -50 до 1250°С, предпочтительно от -50 до 1000°С, более предпочтительно от -50 до 750°С, в частности от -50 до 500°С. Молибден преимущественно выбирают для диапазона температур от -50 до 1800°С, предпочтительно от -50 до 1400°С, в частности от -50 до 1300°С. Армированный углеродными волокнами углерод преимущественно выбирают для диапазона температур от -50 до 2000°С, предпочтительно от -50 до 1600°С, в частности от -50 до 1300°С.

В случае особых применений электроды могут также состоять из нескольких материалов. В случае применения нескольких материалов преимущественно электрод по высоте разделяют на участки из разных материалов. Выбор материала для различных зон преимущественно основан на следующих критериях: термическая стойкость, электропроводность, стоимость. Сегменты из разных материалов предпочтительно соединяют друг с другом с силовым замыканием или неразъемным образом. Предпочтительно соединения между сегментами выполнены гладкими.

Электроды могут быть преимущественно выполнены в виде полнотелых электродов или в виде полых электродов. В случае полнотелых электродов, в зависимости от конструкции, электродные стержни, электродные перемычки и/или электродные пластины представляют собой сплошное тело. В случае полых электродов, в зависимости от конструкции, электродные стержни, электродные перемычки и/или электродные пластины представляют собой полое тело. Полости внутри электродов могут преимущественно образовывать каналы, которые можно использовать для ввода газовых потоков в реакционную зону или для вывода газовых потоков из реакционной зоны. Стенки полых электродов преимущественно выполнены из металлических листов с прорезями, перфорированных металлических листов, цельнотянутых металлических решеток или сетчатых материалов.

Спицевидные решетчатые электроды в соответствии с рисунками 13а и 13b: Спицевидная решетка преимущественно имеет электродные перемычки, предпочтительно от 2 до 30 электродных перемычек, предпочтительно от 3 до 24 электродных перемычек, в частности от 4 до 18 электродных перемычек. На каждой из этих электродных перемычек предпочтительно закрепляют от 1 до 100 электродных пластин, предпочтительно от 2 до 50, в частности от 4 до 20.

Длина перемычек предпочтительно составляет между 1 см и 1000 см, предпочтительно между 10 см и 500 см, в частности между 30 см и 300 см. Высота перемычек предпочтительно составляет между 1 см и 200 см, предпочтительно между 5 см и 100 см, в частности между 10 см и 50 см. Толщина перемычек (в самом толстом месте) предпочтительно составляет между 0,1 мм и 200 мм, предпочтительно между 1 мм и 100 мм.

Боковой профиль перемычек и электродных пластин предпочтительно является прямоугольным, трапециевидным или треугольным (фигура 9, фигура 10), причем другие геометрические формы, например округлые, также допускаются. Преимущественно нижние края перемычек и пластин в верхнем электроде и верхние края перемычек и пластин в нижнем электроде являются горизонтальными (фиг. 9, фиг. 10).

Поперечное сечение перемычек и электродных пластин предпочтительно имеет форму линзы, ромба или шестиугольника (фиг. 11). При этом верхний и нижний концы перемычек предпочтительно заострены. Толщина перемычки или электродной пластины на верхнем и нижнем конце (на острие) предпочтительно составляет между 0,001 мм и 10 мм, предпочтительно между 0,001 мм и 5 мм, в частности между 0,001 мм и 1 мм.

Профиль перемычек и электродных пластин является в горизонтальной проекции предпочтительно прямым, пилообразным или волнообразным. Волнообразные профили предпочтительно имеют синусоидальную или прямоугольную форму (фиг. 7). В случае пилообразных и волнообразных профилей ширина зуба или волны предпочтительно составляет от 1 см до 200 см, предпочтительно от 1 см до 100 см, более предпочтительно от 1 см до 50 см, высота зуба или волны предпочтительно составляет от 1 мм до 200 мм, предпочтительно от 1 мм до 100 мм, более предпочтительно от 1 мм до 50 мм.

Необязательные электродные пластины соединены с перемычками и ориентированы на горизонтальной проекции реактора преимущественно перпендикулярно к перемычкам. Предпочтительно электродные пластины соединены с перемычкой либо по центру, либо на одном конце электродных пластин. Поверхность контакта между электродной пластиной и перемычкой преимущественно образует отдельное жесткое крепление для позиционирования электродной пластины. Соответственно, оба конца или один конец являются свободными, т.е. он не имеет жесткого соединения с другими электродными пластинами или другими перемычками. В результате этого электродные пластины могут деформироваться без возникновения напряжений из-за теплового расширения.

Расстояние между соседними электродными пластинами на перемычке предпочтительно составляет от 1 до 2000 мм, предпочтительно от 5 до 1000 мм, в частности от 10 до 500 мм.

В случае изогнутых/неплоских электродных пластин под длиной понимается длина по окружности. Длина электродных пластин предпочтительно линейно уменьшается по радиусу от внешнего электродного кольца к центру реактора. Длина каждой пластины на перемычке преимущественно пропорциональна ее расстоянию от центра поперечного сечения реактора; в этом случае под длиной электродных пластин понимают длину самой удаленной электродной пластины. Длина электродных пластин предпочтительно составляет от 1 см до 1000 см, предпочтительно от 2 см до 500 см, более предпочтительно от 5 см до 200 см, в частности от 10 см до 100 см. Высота электродных пластин предпочтительно составляет от 1 см до 200 см, предпочтительно от 2 см до 100 см, более предпочтительно от 5 см до 50 см, в частности от 10 см до 50 см. Толщина отдельных электродных пластин на перемычке постоянна. Толщина электродных пластин (в самом толстом месте), прочность решетки, предпочтительно составляет от 0,1 мм до 100 мм, предпочтительно от 1 мм до 50 мм. Отношение высоты к толщине электродных пластин предпочтительно составляет от 1 до 500, предпочтительно от 2 до 250, более предпочтительно от 5 до 100, в частности от 10 до 50.

В случае спицевидных решеток электродные перемычки внутри реактора преимущественно расходятся в форме звезды. Отдельные электродные перемычки предпочтительно не соединены друг с другом. Преимущественно электродные перемычки на их внешнем конце соединены с колпаком реактора или с соединительным элементом на колпаке реактора, например фартуком. Другой конец электродных перемычек преимущественно свободен, т.е. он не имеет жесткого соединения с другими электродными перемычками. Преимущественно контактная поверхность между электродной перемычкой и верхней или соответственно нижней секцией устройства, например колпаком, или соответственно соединительным элементом, например фартуком, образует отдельное жесткое крепление, так называемое жесткое прикрепление, для позиционирования электродной перемычки. Соответственно другой конец электродной перемычки является свободным, так что электродная перемычка может деформироваться без возникновения напряжения из-за теплового расширения.

Верхние и нижние края перемычек и электродных пластин преимущественно смещены друг относительно друга. Посредством смещения краев перемычек и пластин избегают узловых точек, которые в противном случае могли бы привести к застою насыпного слоя. На фиг. 15 показаны примеры предпочтительных вариантов нижнего электрода. В каждом случае показан сегмент решетки, в котором размещена одна отдельная перемычка. В варианте согласно фиг. 15а верхний край электродных пластин расположен выше верхнего края перемычки. В варианте согласно фиг. 15b верхний край электродных пластин расположен ниже верхнего края перемычки. Смещение между верхним краем электродных пластин и верхним краем перемычек предпочтительно составляет от -500 мм до 500 мм, предпочтительно от -200 мм до 200 мм, особенно предпочтительно от -100 мм до 100 мм. Отрицательные значения означают, что верхний край электродных пластин расположен ниже верхнего края перемычек. Смещение между нижним краем электродных пластин и нижним краем перемычек предпочтительно составляет от -500 мм до 500 мм, предпочтительно от -200 мм до 200 мм, особенно предпочтительно от -100 мм до 100 мм. Отрицательные значения означают, что верхний край электродных пластин расположен ниже верхнего края перемычек.

Фрактально маштабируемые электроды в форме решетки в соответствии с фигурами 14а и 14b: Решетка из концентрических колец (фрактально маштабируемый электрод) преимущественно имеет электродные перемычки, которые расходятся приблизительно в форме звезды, и электродные пластины, которые выполнены в виде сегментов в форме дуги окружности. Верхние и нижние края перемычек и электродных пластин преимущественно смещены по высоте друг относительно друга. Перемычки на обеих сторонах соединены с электродными пластинами, причем электродные пластины являются непрерывными внутри кругового сегмента, например 1/4 круга на фиг. 14а и 1/6 круга на фиг. 14b. Количество перемычек увеличивается от центра к внешней стороне. Перемычки внешнего кольца прикреплены к колпаку реактора. Количество и расположение перемычек соответствует следующим правилам: Сердцевина решетки имеет диаметр 2*s, не имеет перемычек и считается кольцом 1. Формула рекурсии для построения дальнейших колец выглядит следующим образом: «Кольцо i имеет внешний диаметр 2*i*s и n*i перемычек, равномерно распределенных по угловой координате. В каждом четном кольце перемычки смещены на π/(n*i) рад по часовой стрелке», s обозначает ширину кольца, n является натуральным числом и обозначается как база рекурсии. Ширина кольца s составляет преимущественно от 1 до 2000 мм, предпочтительно от 5 до 1000 мм, в частности от 10 до 500 мм. n предпочтительно является числом от 2 до 30, предпочтительно числом от 2 до 20, в частности числом от 2 до 10. Решетка с базой 4 показана на фиг. 14а, а решетка с базой 6 показана на фиг. 14b. В основном решетчатые структуры, которые можно масштабировать при их расширении в соответствии с формулой рекурсии, обозначают как фрактально масштабируемые структуры.

В случае фрактально масштабируемых решеток перемычки электродов внутри реактора преимущественно расходятся в форме звезды. Соседние электродные пластины с формой дуги окружности предпочтительно частично или по сегментам не соединены друг с другом. Таким образом, решетка предпочтительно делится на сегменты, преимущественно от 2 до 30 сегментов, предпочтительно от 2 до 20 сегментов. Преимущественно внешние электродные перемычки на их внешнем конце соединены с колпаком реактора или с соединительным элементом на колпаке реактора, например перегородкой. Преимущественно контактная поверхность между электродными перемычками и верхней или соответственно нижней секцией устройства, например колпаком, или соответственно соединительным элементом, например фартуком, образует отдельное жесткое крепление, так называемое жесткое прикрепление, для позиционирования сегментов решетки. Таким образом, сегмент решетки может деформироваться без возникновения напряжения, т.е. не касаясь соседних сегментов решетки, в результате теплового расширения.

Верхняя и нижняя секции корпуса реактора предпочтительно образуют в каждом случае контакты для верхнего и нижнего электродов. Электроды предпочтительно контактируют через торцевые секции корпуса реактора, также называемые колпаками реактора (см. фиг. 4 и 5). Колпаки реактора предпочтительно имеют одно или более электрических подключений, (8) и (17), предпочтительно от одного до трех подключений, на внешней стороне.

При необходимости колпаки реактора могут иметь соединительные элементы, например фартук (10), (16), который выступает в центральную секцию реактора; причем термин «фартук» означает продолжение колпака на внутренней стороне уплотнительной поверхности к боковой стенке (11), (18). Преимущественно электроды подсоединены к фартуку колпака. Контакт между колпаком реактора и электродом может быть выполнен посредством неразъемного соединения материалов, например сваркой или пайкой, посредством соединением с силовым замыканием, например закручиванием или зажиманием, или соединением с геометрическим замыканием, например, посредством зубчатого зацепления, паза и шипа или шпильки и болта. Предпочтительный тип соединения определяется материалом электродных перемычек.

Металлические электродные перемычки предпочтительно приваривают или припаивают к колпаку. Неметаллические электродные перемычки предпочтительно соединяют с колпаком посредством комбинированного соединения с геометрическим замыканием и соединения с силовым замыканием или неразъемного соединения материалов, например, соединение паз-шпунт в сочетании с винтовым соединением, с заклепочным соединением или клеевым соединением. В случае решеток в форме звезды и фрактально масштабируемых решеток, электродные перемычки преимущественно соединяют своим внешним концом с колпаком реактора или с фартуком колпака реактора.

Контактная поверхность между электродом и верхней или соответственно нижней секцией устройства, колпаком реактора или соединительным элементом, контактирующим с колпаком, например фартуком, предпочтительно составляет между 0,1 см² и 10000 см², предпочтительно между 1 см² и 5000 см², в частности между 10 см² и 1000 см². При использовании соединительного элемента, например фартука, контактная поверхность между колпаком реактора и соединительным элементом, контактирующим с колпаком, предпочтительно составляет между 0,05 см² и 200000 см², предпочтительно между 0,5 см² и 50000 см², в частности между 50 см² и 10000 см².

Преимущественно температура на контактной поверхности между верхней секцией устройства и соединительным элементом предпочтительно составляет менее 600°С, предпочтительно менее 450°С, особенно предпочтительно менее 150°С, преимущественно в диапазоне от 0 до 600°С, предпочтительно от 10 до 450°С.

Отношение площади поперечного сечения соединительного элемента, например фартука, к площади поперечного сечения твердотельной насадки предпочтительно составляет от 0,001 до 0,2 (от 0,1 до 20%), предпочтительно от 0,002 до 0,1 (от 0,2 до 10%), особенно предпочтительно от 0,5 до 5%. Отношение площади поперечного сечения токопроводящего колпака к площади поперечного сечения твердотельной насадки предпочтительно составляет от 0,001 до 0,2 (от 0,1 до 20%), предпочтительно от 0,002 до 0,1 (от 0,2 до 10%), особенно предпочтительно от 0,005 до 0,05 (от 0,5 до 5%).

В структурной единице колпаки-электроды рассеивается преимущественно менее 5%, предпочтительно менее 2%, особенно предпочтительно менее 1%, в частности менее 0,1% от суммарно введенной электрической энергии. Предпочтительно диапазон рассеиваемой энергии составляет от 0 до 5%, предпочтительно от 0 до 2%, в частности от 0 до 1%. В результате чего электрическая энергия почти полностью может быть использована для нагрева насадки между электродами. Под «рассеиваемой энергией» понимают электрическую энергию, преобразованную в тепловую энергию в результате омического сопротивления линии. Низкое рассеивание энергии достигается за счет низкого омического сопротивления структурной единицы колпаки-электроды. Омическое сопротивление между любыми двумя точками структурной единицы колпаки-электроды предпочтительно составляет от 10^-12 Ω до 10^-13 Ω, предпочтительно от 10^-12 Ω до 10^-5 Ω, в частности от 10^-12 Ω до 10^-7 Ω. Указанное омическое сопротивление структурной единицы колпаки-электроды достигается за счет выбора материала и размеров структурной единицы колпаки-электроды. Для реакционной системы пиролиза метана конкретные размеры описаны в примере.

Выдерживающая давление рубашка реактора преимущественно состоит из верхней секции реактора (1), средней секции реактора (2) и нижней секции реактора (3). Предпочтительными материалами для рубашки реактора являются стальные сплавы, например, с номером материала 1.4541, 1.4571. Предпочтительная удельная проводимость верхней и/или нижней секций устройства предпочтительно находится между 10⁵ См/ми 10⁸ См/м, предпочтительно между 0,5×10⁶ См/м и 0,5×10⁸ См/м. Удельное омическое сопротивление внешней выдерживающей давление рубашки реактора предпочтительно находится между 10^-8 Ωм и 10^-5 Ωм, предпочтительно между 2×10^-7 Ωм и 2×10^-6 Ωм.

В качестве примера верхняя и нижняя секции реактора содержат торцевой конец корпуса реактора. Верхняя секция реактора предпочтительно выполнена в виде колпака. Нижняя секция реактора также предпочтительно выполнена в виде колпака, в частности в виде конического колпака (колпака с выпускным конусом для твердотельного гранулята).

Верхняя секция реактора, предпочтительно колпак реактора, предпочтительно имеет следующие подключения (см. фиг. 4): электропитание (8), линия подачи твердых частиц (6) и, при необходимости, распределитель (9) (например, в форме конусного распределителя), один или несколько выходов для потока продуктов (7), преимущественно для потока газообразного продукта, вводы для датчиков, например, для измерения температуры, измерения уровня наполнения, измерения концентрации, измерения давления.

Нижняя секция реактора, предпочтительно конический колпак реактора, имеет следующие подключения (см. Фиг. 5): выходной конус для потока продукта (14), предпочтительно для потока твердого продукта, электропитание для нижнего электрода (17), по меньшей мере одно входное отверстие для потоков исходных веществ, (12) предпочтительно для потоков газообразных исходных веществ, вводы для датчиков, например, для измерения температуры, измерения концентрации, измерения давления.

Поток исходного вещества или, при необходимости, несколько потоков исходных веществ предпочтительно вводят через кольцевой распределитель (13) или через несколько вводов распределенных по окружности на нижнем колпаке реактора. Посредством подсоединенного к нему пластинчатого распределителя (12) поток исходного вещества может быть равномерно распределен по поперечному сечению на уровне подачи. На горизонтальной проекции присутствующий при необходимости пластинчатый распределитель преимущественно имеет ту же форму, что и электроды, и, следовательно, находится в том же вертикальном положении, что и электроды. В качестве альтернативы распределитель состоит из отдельных элементов, каждый из которых предпочтительно установлен под элементами электрода.

Средняя секция реактора предпочтительно является цилиндрической или призматической (см. фиг. 3). Указанная область преимущественно облицована электроизолирующей футеровкой (21), устойчивой к температуре примерно до 2000°С, предпочтительно до примерно 1700°С, предпочтительно до примерно 1400°С, предпочтительно до примерно 1200°С. Данная секция определяет длину зоны нагрева. Длина средней секции реактора составляет преимущественно между 0,25 и 100 м, предпочтительно между 0,5 и 50 м, особенно предпочтительно между 0,75 и 20 м, в частности между 1 и 10 м.

Вертикальное расстояние между верхним краем средней секции реактора и верхним краем твердотельной насадки предпочтительно составляет от -2000 мм до 2000 мм, предпочтительно от -1000 мм до 1000 мм, особенно предпочтительно от -500 мм до 500 мм. Отрицательные значения означают, что верхний край средней секции реактора расположен ниже верхнего края твердотельной насадки. Вертикальное расстояние между верхним краем средней секции реактора и нижним краем электродных пластин на верхнем электроде предпочтительно составляет от 10 мм до 5000 мм, предпочтительно от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно от 200 мм до 2000 мм. Вертикальное расстояние между верхним краем электродных пластин на нижнем электроде и входом газообразных исходных веществ предпочтительно составляет от 10 мм до 5000 мм, предпочтительно от 100 мм до 3000 мм, более предпочтительно от 200 мм до 2000 мм.

Электрическая изоляция выполняет следующие функции: (i) изолировать колпаки от боковой стенки реактора, т.е. средней секции оболочки реактора, и (ii) изолировать насыпной слой от боковой стенки реактора.

Обычно для электроизоляционной футеровки используются огнеупорные кирпичи, которые преимущественно содержат оксид алюминия, оксид циркония и смешанные оксиды алюминия, магния, хрома и кремния (см., например, диссертацию Patrick Gehre: Korrosions-und thermoschockbestandige Feuerfestmaterialien fur Flugstromvergasungsanlagen auf Al₂O₃-Basis-Werkstoffenwicklung und Korrosionsuntersuchungen (Устойчивые к коррозии и термическому удару огнеупорные материалы для установок газификации с увлеченным потоком на основе Al₂O₃ - разработка материала и коррозионные исследования.). (TU Freiberg, 2013)).

Средняя секция реактора предпочтительно электрически изолирована от двух колпаков. Например, для этого в каждом случае используют промежуточное кольцо из электроизоляционного материала (23) и (25), которое предпочтительно газогерметично зажато между средней секцией реактора и верхним колпаком реактора (11) или соответственно нижним колпаком реактора (18). Промежуточное кольцо предпочтительно выполнено из эмалированного или покрытого пластиком металла, из пластмассы, например PTFE или PEEK, или из газонепроницаемой керамики. В качестве альтернативы уплотнительные кольца из электроизоляционного материала, например, слюды, можно зажать непосредственно между фланцами средней секции реактора и колпаками реактора. Толщина промежуточного кольца составляет предпочтительно от 2 мм до 500 мм, более предпочтительно от 3 мм до 200 мм, особенно предпочтительно от 5 мм до 100 мм.

Преимущественно верхняя и/или нижняя секция устройства, например верхний колпак, выполнен двухоболочечным (см. фигуру 6). Внешняя оболочка колпака (41) преимущественно окружает описанный выше колпак (3 или 31), который преимущественно представляет собой внутреннюю оболочку. Внутренняя оболочка предпочтительно является электропроводящим соединительным элементом. Внешняя оболочка предпочтительно электрически изолирована от внутренней оболочки. Внешняя оболочка предпочтительно соединена со средней секцией (1) реактора через фланец (22 или 42). Между фланцами (42) и (22) предпочтительно используют уплотнитель. Уплотнитель предпочтительно представляет собой плоский уплотнитель, линзообразный уплотнитель, О-образный кольцевой уплотнитель или сварное манжетное уплотнение. Кроме того, внешняя оболочка (41) преимущественно содержит вводы (43) для подключений (6), (7), (8), которые ведут во внутреннюю оболочку колпака. Вводы предпочтительно являются съемными, так что внешнюю оболочку можно отдельно устанавливать с помощью фланцев на реактор или снимать с него (см. фиг. 19 и 20).

Преимущественный вариант осуществления вводов через двухоболочечный колпак известен специалисту в данной области техники, и описан, например, в патенте США US 7,842,846 В2. В настоящем изобретении ввод предпочтительно выполнен с возможностью дополнительной электрической изоляции между внутренней и внешней оболочкой. На фиг. 19 показан в качестве примера ввод для линии подачи потока частиц (6) в реактор. Поток твердых частиц преимущественно проходит через впускную трубу (58), которая снабжена фланцем (52). Впускная труба предпочтительно выполнена из металлического материала, предпочтительно из металлической трубы, которая покрыта электроизоляционным слоем, например эмалью. При этом ввод предпочтительно содержит две концентрических цилиндрических горловины, из которых внешняя (51) прикреплена к внешней оболочке, и внутренняя (54) прикреплена к внутренней оболочке колпака. Внутренняя горловина преимущественно имеет компенсатор, который обеспечивает гибкость внутренней горловины в продольном направлении. Предпочтительно внутренняя горловина оканчивается пластиной с резьбовыми отверстиями, внешняя окружность которой меньше окружности внешней горловины. Внешняя горловина преимущественно оканчивается фланцем устройства. Внутренний и внешний фланцы предпочтительно газогерметично скреплены через промежуточное кольцо (53). Внутренняя горловина и внешняя горловина предпочтительно электрически изолированы друг от друга. Для этого промежуточное кольцо из металла с плоскими уплотнителями (55) из электроизоляционного материала, например слюды или пластика, предпочтительно зажимают между фланцем впускной трубы с одной стороны и фланцем внешней горловины и пластиной с резьбовыми отверстиями внутренней горловины с другой стороны. Между крепежными винтами и промежуточным кольцом преимущественно используют гильзы из электроизоляционного материала (57), например пластика или оксидной керамики.

В качестве альтернативы промежуточное кольцо может состоять из электроизоляционного материала, например пластика, РЕЕК или плотно спеченной оксидной керамики. В качестве альтернативы промежуточное кольцо из металла может быть покрыто электроизоляционным материалом, например эмалью или пластиком. Предпочтительно уплотнитель промежуточное кольца у внешней горловины представляет собой плоский уплотнитель, линзообразный уплотнитель, О-образный кольцевой уплотнитель или сварное манжетное уплотнение.

На фиг. 20 в качестве примера показан ввод линии электропитания, которая ведет к внутренней оболочке колпака. Ввод содержит штифт (63), который припаян или запрессован к внешней стороне внутренней оболочки (2). Штифт соединен с разъемом (64), который подключен к источнику электропитания, с помощью винтового или зажимного соединения. Разъем имеет бортик на нижнем конце. Штифт свободно входит в керамическую гильзу (65) из электроизоляционного материала. Гильза предпочтительно выполнена из оксидной керамики. Предпочтительно гильза состоит из металла и покрыта слоем эмали. Керамическая гильза, в свою очередь, входит в раструб (61). Указанный раструб приварен к внешней оболочке колпака (27). Раструб предпочтительно содержит компенсатор и приварной фланец. Раструб (61), изолирующая гильза (65) и разъем (64) крепятся при помощи свободного фланца (62). Между раструбом (61) и гильзой (65), а также между гильзой (65) и разъемом (64) вставляют плоские уплотнители (66). Плоские уплотнители преимущественно состоят из слюды. В качестве альтернативы уплотнители могут быть выполнены в виде О-образных кольцевых уплотнителей. Между крепежными винтами и фланцем внешнего раструба преимущественно используют гильзы из электроизоляционного материала (67), например пластика или оксидной керамики.

Предпочтительно внешняя оболочка колпака согласно фиг. 6 и 7 содержит подключения для подачи (44) и вывода (45) потока инертного газа, который содержит, например, азот, аргон, диоксид углерода и/или водяной пар. Посредством инертного газа продувается пространство рубашки между внутренней и внешней оболочкой колпака. Преимущественно давление в пространстве рубашки устанавливается немного выше, чем давление в непосредственно прилегающей части реакционной зоны. Разница давлений между пространством рубашки и непосредственно прилегающей частью реакционной зоны составляет преимущественно от 1 мбар до 500 мбар, предпочтительно от 1 мбар до 100 мбар, особенно предпочтительно от 1 мбар до 50 мбар. Регулировка указанной разницы известна специалисту в данной области техники, например, описана в международной заявке WO 2013017609 А1.

Размеры реактора зависят от реакционной системы и желаемой производительности. Для реакционной системы пиролиза метана конкретные размеры описаны в примере.

Реактор, снабженный насадками, согласно изобретению преимущественно содержит неупорядоченный насыпной слой твердых частиц из электропроводящего материала. Насыпной слой может быть гомогенным или структурированным по высоте. Гомогенный насыпной слой может преимущественно образовывать неподвижный слой, подвижный слой или псевдоожиженный слой, в частности подвижный слой. Слой, структурированный по высоте, предпочтительно образует неподвижный слой в нижней части и псевдоожиженный слой в верхней части. В качестве альтернативы структурированный по высоте слой предпочтительно образует подвижный слой в нижней части и псевдоожиженный слой в верхней части. В качестве альтернативы твердотельная насадка предпочтительно содержит структурированные встроенные элементы из электропроводящего материала, например сотовые монолиты, перекрещенные пластины, такие как насадки Sulzer Mellapack, статические смесители, такие как смесители Sulzer SMX, или сыпучие частицы. Структурированные встроенные элементы предпочтительно содержат металл, карбид кремния или углерод и образуют сквозные электрически проводящие пути между электродами. При необходимости, полый объем структурированных встроенных элементов полностью или частично заполнен твердыми частицами. Твердые частицы преимущественно образуют неподвижный слой, подвижный слой, псевдоожиженный слой или слой со струйным течением потока. Частицы могут преимущественно состоять из электропроводящих и/или электроизоляционных материалов.

В качестве термостойких, электропроводящих структурированных насадок пригодными являются встроенные элементы из металла и/или электропроводящей керамики, например карбида кремния, углерода и композиционных материалов, содержащих указанные вещества.

Под «интеграцией тепла» в настоящей заявке понимают противоточный теплообмен между горячим и холодным потоком материала в процессе, в результате которого ощутимая теплота потока горячего материала используется для нагрева потока холодного материала. В результате этого достигается изменение температуры в задействованных материальных потоках без передачи тепловых потоков через границы процесса.

Реактор согласно изобретению предлагает выгодные характеристики для реализации режима работы с тепловой интеграцией для эндотермических высокотемпературных процессов. Указанные характеристики включают, в частности, (i) противоток между потоком твердых частиц и потоком газа, и (ii) регулировку положения зоны нагрева внутри реакционной зоны, в результате чего на верхнем конце возникает зона теплопередачи для теплообмена между горячим газообразным продуктом и холодным потоком твердых частиц, а на нижнем конце - зона теплопередачи для теплообмена между потоком твердого продукта и холодным потоком подачи газа.

Эффективность интеграции тепла достигается за счет минимизации сопротивления теплопередаче между газом и твердотельной насадкой за счет благоприятного соотношения потоков теплоемкости газообразных и твердых реакционных сред в зонах теплопередачи. Показателем эффективности тепловой интеграции является степень воздействия тепловой интеграции: η=(температура реакционной зоны - температура газа на выходе основного потока) / (температура реакционной зоны - температура твердых веществ на входе).

Степень воздействия интеграции тепла составляет преимущественно более 60%, предпочтительно более 65%, еще более предпочтительно более 70%, еще более предпочтительно более 80%, еще более предпочтительно более 90%, в частности более 95%. Степень воздействия интеграции тепла предпочтительно лежит в диапазоне от 60 до 99,5%.

Длина блока теплопередачи в основном определяется следующими параметрами: (i) свойствами частиц насыпного слоя, такими как размер частиц, теплопроводность, коэффициент излучения, (ii) свойствами газовой фазы, такими как проводимость, и (iii) условиями эксплуатации, такими как давление, температура, пропускная способность.

Термическое сопротивление во время теплообмена между газом и твердотельной насадкой в зонах передачи тепла предпочтительно имеет длину единицы переноса или Height-of-Transfer Units (HTU) от 0,01 до 5 м, предпочтительно от 0,02 до 3 м, особенно предпочтительно 0,05 до 2 м, в частности от 0,1 до 1 м. Определение HTU можно найти в http://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/2350/1/docu_FU.pdf страница 74.

Поток теплоемкости является произведением массового потока и удельной теплоемкости материального потока. Соотношение потоков теплоемкости между газообразным технологическим потоком и твердым технологическим потоком предпочтительно составляет от 0,5 до 2, предпочтительно от 0,75 до 1,5, особенно предпочтительно от 0,85 до 1,2, в частности от 0,9 до 1,1. Соотношение потоков теплоемкости устанавливается через питающие потоки и, при необходимости, через боковую подачу или боковой отвод частичных потоков.

В верхнем конце реакционной зоны, в частности, на верхнем крае твердотельной насадки, разница между температурой на выходе потока газообразного продукта и потока подачи твердых частиц составляет преимущественно от 0 К до 500 К, предпочтительно от 0 К до 300 К, более предпочтительно от 0 К до 200 К, в частности от 0 К до 100 К.

В нижнем конце реакционной зоны, в частности, в месте, в котором поток твердого продукта выводят из реактора, разница между температурой на выходе твердого потока продукта и газообразного потока подачи составляет преимущественно от 0 К до 500 К, предпочтительно от 0 К до 300 К, более предпочтительно от 0 К до 200 К, в частности от 0 К до 100 К.

Средняя секция реактора предпочтительно имеет подключение для бокового отвода газа. Боковой отвод преимущественно представляет собой отверстие между подвижным слоем и газопроницаемой, изолированной от подвижного слоя областью в реакторе, которая соединена с отдельным отверстием в корпусе реактора. Отверстие бокового отвода в реакционную зону может быть предпочтительно сквозным или разделенным на сегменты при помощи жестких каналов (19). Предпочтительно жесткие каналы (19) интегрированы в электродные перемычки. Каналы могут быть объединены в кольцевой коллектор (20). Через указанный боковой отвод может преимущественно выводиться часть реакционного газа из реакционной зоны.

Боковой отвод предпочтительно является ограниченной по высоте областью на верхнем конце зоны нагрева. Особенно предпочтительно боковой отвод расположен по отношению к положению верхнего электрода следующим образом: Положение нижнего конца бокового отвода по отношению к нижнему концу верхнего электрода составляет преимущественно от -2000 до 2000 мм, предпочтительно от -1000 до 1000 мм, более предпочтительно от 500 до 500 мм, в частности от -500 до 0 мм. Отрицательные значения означают, что нижний конец бокового отвода расположен ниже нижнего конца верхнего электрода. Положение верхнего конца бокового отвода по отношению к нижнему концу верхнего электрода составляет преимущественно от -2000 до 3000 мм, предпочтительно от -1000 до 2000 мм, более предпочтительно от 500 до 1000 мм, в частности от 0 до 1000 мм. Отрицательные значения означают, что верхний конец бокового отвода расположен ниже нижнего конца верхнего электрода. Положение верхнего конца бокового отвода по отношению к верхнему концу средней реакционной зоны составляет преимущественно от -3000 до -100 мм, предпочтительно от -2000 до -100 мм, более предпочтительно от -1000 до -100 мм, в частности от -500 до -100 мм. Отрицательные значения означают, что верхний конец бокового отвода расположен ниже верхнего конца средней реакционной зоны.

Доля общего объемного потока, который проходит через боковой отвод, предпочтительно составляет от 0 до 100%, предпочтительно от 0 до 80%, более предпочтительно от 0 до 60%, в частности от 0 до 40%.

Посредством бокового отвода уменьшается поток теплоемкости газового потока в верхней зоне теплопередачи и адаптируется к потоку теплоемкости нагреваемого потока твердых частиц в подвижном слое, который течет противотоком. Боковой отвод влияет на положение верхней зоны теплопередачи, т.е. расположение точки с наибольшим отрицательным градиентом температуры по абсолютной величине в подвижном слое. Положение верхней зоны теплопередачи предпочтительно находится на расстоянии от 10 до 3000 мм, предпочтительно от 100 до 2500 мм, более предпочтительно от 200 до 2000 мм, в частности от 300 до 2000 мм ниже верхнего конца подвижного слоя.

Еще одно преимущество бокового отвода состоит в том, что температура выводимого потока близка к максимальной температуре. Благодаря высокой температуре указанный поток можно эффективно использовать различными способами. Газовый поток из бокового отвода можно, например, использовать в качестве реакционного газа на последующей стадии реакции (ссылка на комбинирование пиролиза и обратной реакции конверсии водяного газа).

Еще одно преимущество бокового отвода состоит в том, что электроды расположены над зоной нагрева в более холодном диапазоне температур. Поэтому несмотря на очень высокие температуры в зоне нагрева, для электродов можно выбрать материалы, которые можно использовать только в более холодном диапазоне температур.

Материалы-носители слоя образования продукта преимущественно являются термостойкими в диапазоне от 500 до 2000°С, предпочтительно 1000 до 1800°С, более предпочтительно от 1300 до 1800°С, особо предпочтительно от 1500 до 1800°С, в частности от 1600 до 1800°С.

Материалы-носители слоя образования продукта преимущественно обладают электропроводностью в диапазоне между 10 См/см и 10⁵ См/см.

В качестве термостойких материалов-носителей, особенно для пиролиза метана, пригодными являются преимущественно углеродсодержащие материалы, например кокс, карбид кремния и карбид бора. При необходимости носители могут быть покрыты каталитически активными материалами. Указанные теплопередающие материалы могут иметь отличную от нанесенного на них углерода способность к расширению.

Частицы гранулята имеют правильную и/или неправильную геометрическую форму. Частицы правильной формы предпочтительно имеют сферическую или цилиндрическую форму.

Гранулы преимущественно имеют размер зерна, т.е. эквивалентный диаметр, который определяется посредством просеивания через ячейки, определенного размера, от 0,05 до 100 мм, предпочтительно от 0,1 до 50 мм, более предпочтительно от 0,2 до 10 мм, в частности от 0,5 до 5 мм.

Кроме того, является выгодным использование углеродсодержащего материала, например, в виде гранул. В настоящем изобретении под углерод-содержащим гранулятом следует понимать материал, который преимущественно состоит из твердых зерен, которые содержат по меньшей мере 50% масс., предпочтительно по меньшей мере 80% масс., более предпочтительно по меньшей мере 90% масс. углерода, в частности по меньшей мере 98% масс. углерода.

В способе согласно изобретению можно использовать множество различных углеродсодержащих гранулятов. Например, такой гранулят может состоять в основном из угля, кокса, коксовой мелочи и/или их смесей. Кроме того, углеродсодержащий гранулят может содержать от 0 до 15% масс., в пересчете на общую массу гранулята, предпочтительно от 0 до 5% масс. металла, оксида металла и/или керамики.

Предпочтительным вариантом конструкции реактора согласно изобретению является каталитический реактор с неподвижным слоем и прямым электрическим нагревом. На фиг. 21 показан эскиз реактора согласно изобретению. Реактор преимущественно разделен на несколько зон. Преимущественно сверху вниз расположены: линия подачи газа (73), верхний электрод (4), зона нагрева, нижний электрод (5), выход потока газообразного продукта (74). Реактор частично заполнен неупорядоченной или структурированной насадкой из электропроводящего материала. Насадка опирается на опору катализатора (72), которая, в свою очередь, прикреплена к соединительному элементу, например, к фартуку, прикрепленному к нижнему колпаку реактора. Верхний и нижний электроды (4) и (5) преимущественно расположены соответственно на верхнем и нижнем конце твердотельной насадки.

Термин «высокотемпературные процессы» включает, среди прочего, реакции пиролиза, реакции дегидрирования и реакции риформинга.

Согласно изобретению эндотермический высокотемпературный процесс предпочтительно представляет собой процесс, удельное объемное потребление энергии которого в зоне нагрева больше 0,5 МВт/м³, особенно предпочтительно больше 1 МВт/м³, в частности больше 2 МВт/м³. Например, потребление энергии в зоне нагрева может составлять между 0,5 и 10 МВт/м³.

В реакторе с подвижным слоем согласно изобретению предпочтительно проводят следующие высокотемпературные реакции:

• получение синтез-газа посредством риформинга углеводородов с водяным паром и/или диоксидом углерода, сопряженное производство водорода и пиролизного углерода посредством пиролиза углеводородов. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углеродсодержащие гранулы, содержащие карбид кремния гранулы, никельсодержащие металлические гранулы.

• получение синильной кислоты из метана и аммиака или из пропана и аммиака. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углеродсодержащие гранулы.

• получение олефинов посредством крекинга углеводородов с водяным паром. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углеродсодержащие гранулы, содержащие карбид кремния гранулы.

• сочетание метана в этилен, ацетилен и бензол.

• получение олефинов посредством каталитического дегидрирования алканов, например пропилена из пропана или бутена из бутана. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, покрытые катализаторами дегидрирования гранулы, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.

• получение стирола посредством каталитического дегидрирования этилбензола. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, покрытые катализаторами дегидрирования гранулы, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.

• получение диолефинов посредством каталитического дегидрирования алканов или олефинов, например бутадиена из бутена или из бутана. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, покрытые катализаторами дегидрирования гранулы, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.

• альдегиды посредством каталитического дегидрирования спиртов, например безводный формальдегид из метанола. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, содержащие серебро гранулы или покрытые катализаторами дегидрирования гранулы, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.

• получение СО посредством реакции Будуара из СО₂ и углерода. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углерод-содержащие гранулы.

• получение водорода и кислорода посредством каталитического термолиза воды на каталитических контактах. Подходящими материалами-носителями являются в частности содержащие карбид кремния гранулы или железосодержащие гранулы, которые покрыты катализатором крекинга, например ферритом.

Для предпочтительных вариантов способа согласно изобретению диапазоны заданных значений максимальной температуры обобщенно представлены в виде таблицы:

Температура верхнего электрода составляет преимущественно по меньшей мере 350°С, преимущественно в диапазоне от 350 до 1900°С.

Контакт электродов через плоские торцевые участки корпуса реактора или присоединенный к нему соединительный элемент и, при необходимости, дополнительное использование тугоплавких металлов в качестве электродного материала позволяет вводить электрический ток в реакционную зону с низкими потерями. Благодаря большим площадям поперечного сечения и высокой удельной электропроводности колпаков реактора, а также при необходимости соединительных элементов, рассеиваемая в них электрическая мощность пренебрежимо мала. В результате этого подключения, вводы и соединения в указанной области поддерживаются в умеренном уровне температуры без сложного активного охлаждения. Благодаря согласованным друг с другом размерам поперечного сечения электродов и соединительных элементов достигается равномерное распределение электрического тока по поперечному сечению твердотельной насадки.

Контакт электродов по окружности колпаков и при необходимости в комбинации с решетчатой геометрией электродов позволяет равномерно вводить электрический ток в реакционную зону. Кроме того, решетчатая геометрия электродов позволяет структурировать поперечное сечение реактора на небольшие однородные области. В результате создаются благоприятные условия для рационального масштабирования и адаптации реактора к необходимой производственной мощности.

Посредством вертикального расположение электродов обеспечивается равномерное выделение тепла и равномерное протекание превращения в нагретой области реакционной зоны. Предпочтительный вариант осуществления электродов со стержневыми электродными перемычками и присоединенными к ним электродными пластинами имеет высокую механическую прочность. Сегментация электродов и односторонняя фиксация обеспечивают беспрепятственное тепловое расширение электродов.

Высокая степень гибкости и профилирование электродных перемычек и электродных пластин с заостренными концами позволяют твердым частицам беспрепятственно перемещаться в подвижном слое. В результате этого обеспечиваются однородные условия эксплуатации по всему сечению реакционной зоны.

Посредством размещения электродов внутри насадки сверху и снизу от электрически нагреваемой области насадки создаются две определенные зоны теплопередачи, в которых может быть достигнута внутренняя теплоотдача. В результате реактор обладает необходимыми условиями для полной интеграции тепла.

Посредством размещения верхнего края твердотельной насадки внутри средней секции реактора высокотемпературная зона надежно ограничивается механически и термически устойчивой областью реактора.

Разделение корпуса на три секции упрощает сборку и разборку реактора. В результате этого имеется возможность легко заменять изнашиваемые детали, а также использовать предварительно изготовленные секции реактора для сборки реактора. Вследствие этого улучшается экономическая эффективность и качество изготовления реактора.

Фигура 1:

На фиг. 1 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.

a. Продольное сечение реактора.

b. Поперечное сечение реактора на уровне верхнего электрода. На этой проекции видно поперечное сечение соединительного элемента 10.

c. Вид сбоку на развертку фартука верхнего электрода. На этой проекции видно поперечное сечение электрода 4.

Фигура 2:

На фиг. 2 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.

Фигура 3:

На фиг. 3 показан детальный чертеж средней секции корпуса реактора. Фигура 4:

На фиг. 4 показан детальный чертеж верхнего колпака реактора на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).

Фигура 5:

На фиг. 5 показан детальный чертеж нижнего колпака реактора на виде сбоку (нижний) и на виде снизу (верхний).

Фигура 6:

На фиг. 6 показан вариант реактора согласно изобретению с двухоболочечным верхним колпаком реактора.

Фигура 7:

На фиг. 7 показан детальный рисунок верхнего колпака реактора на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).

Фигура 8:

На фиг. 8 показаны предпочтительные продольные профили электродных перемычек в верхнем электроде согласно изобретению. В каждом случае в нижнем электроде используются идентичные профили.

Фигура 9:

На фиг. 9 показаны предпочтительные боковые профили электродных перемычек в верхнем электроде согласно изобретению. Нижняя часть перемычки является горизонтальной.

Фигура 10:

На фиг. 10 показаны предпочтительные боковые профили перемычек в нижнем электроде согласно изобретению. Верхняя часть перемычки является горизонтальной.

Фигура 11:

На фиг. 11 показаны предпочтительные профили поперечного сечения электродных перемычек и пластин решетчатого электрода согласно изобретению.

Фигура 12:

На фиг. 12 показан предпочтительный вид сверху решетчатых электродов.

a. Ячеистая решетка. Ячейки могут быть правильными или неправильными многоугольниками. Количество сторон от 3 до 20.

b. Прямоугольная решетка

Фигура 13:

На фиг. 13 показан предпочтительный вид сверху решетчатых электродов.

a. Спицевидная разделенная решетка

b. Спицевидная разделенная решетка с боковыми перемычками Фигура 14:

На фиг. 14 показан особо предпочтительный вид сверху решетчатых электродов. Пунктирными линиями показаны границы сегментов.

a. Кольцевая «фрактально масштабируемая» решетка, разделенная на четыре сегмента

b. Кольцевая «фрактально масштабируемая» решетка, разделенная на шесть сегментов

Фигура 15:

На фиг. 15 показан сегмент электрода в виде разделенной решетки согласно изобретению, состоящего из электродной перемычки, которая прикреплена к фартуку колпака реактора, и расположенных перпендикулярно к ней пластин.

a) Электродная перемычка выступает с нижней стороны, а пластины выступают с верхней стороны.

b) Электродная перемычка выступает вверху и внизу.

Фигура 16:

На фиг. 16 показаны электроды в виде стержня согласно изобретению.

a) Электрод в виде стержня с коническим концом: Вид спереди (левый), вид сбоку (правый), вид сверху (нижний).

b) Электрод в виде стержня с клиновидным концом: Вид спереди (левый), вид сбоку (правый), вид сверху (нижний).

Фигура 17:

На фиг. 17 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом и электродом в виде стержня.

Фигура 18:

На фиг. 18 показан детальный рисунок верхнего колпака реактора с электродом в виде стержня на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).

Фигура 19:

На фиг. 19 показан эскиз ввода согласно изобретению через внешнюю оболочку верхнего колпака для подачи потока твердых частиц.

Фигура 20:

На фиг. 20 показан эскиз ввода согласно изобретению через внешнюю оболочку верхнего колпака для соединительной шины электрического тока.

Фигура 21:

На фиг. 21 показан эскиз реактора с неподвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.

Фигура 22:

На фиг. 22 показан эскиз, выполненный от руки, верхней или нижней секции устройства согласно изобретению для иллюстрации расчета отношения площадей поперечного сечения верхнего или нижнего электрода (A_EI) к площади поперечного сечения соответствующего электропроводящего соединительного элемента (A_VE).

Фигура 23:

На фиг. 22 показан эскиз, выполненный от руки, прототипа подключения электродов по аналогии с чертежами из патента США US 5,903,591 для иллюстрации расчета отношения площадей поперечного сечения верхнего или нижнего электрода (A_EI) к площади поперечного сечения соответствующего электропроводящего соединительного элемента (A_VE).

Условные обозначения:

1. Средняя секция реактора

2. Верхняя торцевая секция реактора / верхний колпак реактора / верхняя секция устройства

3. Нижняя торцевая секция реактора / нижний колпак реактора / нижняя секция устройства

4. Электродные перемычки разделенного верхнего электрода

5. Электродные перемычки разделенного нижнего электрода

6. Линия подачи потока твердых частиц

7. Вывод потока газообразного продукта

8. Соединительная шина для электрического тока в верхнем колпаке реактора

9. Конусный распределитель

10. Соединительный элемент / фартук в верхнем колпаке реактора для контакта с электродами

11. Фланец на верхнем колпаке реактора

12. Пластинчатый распределитель потока газообразных исходных веществ

13. Кольцевой распределитель потока газообразных исходных веществ

14. Нижний колпак реактора конической формы

15. Вывод потока твердого продукта

16. Соединительный элемент / фартук в нижнем колпаке реактора для контакта с электродами

17. Соединительная шина для электрического тока в нижнем колпаке реактора

18. Фланец на нижнем колпаке реактора

19. Каналы для бокового отвода газообразного частичного потока из реакционной зоны

20. Кольцевой коллектор для бокового отвода

21. Футеровка рубашки реактора огнеупорной, электрически и термически изолирующей кирпичной кладкой

22. Фланец на верхнем конце рубашки реактора

23. Электроизоляционное промежуточное кольцо между фланцами верхнего колпака и рубашкой реактора

24. Фланец на нижнем конце рубашки реактора

25. Электроизоляционное промежуточное кольцо между фланцами верхнего колпака и рубашкой реактора

26. Обогреваемая зона в насыпном слое частиц / в подвижном слое

27. Нижняя зона теплопередачи в насыпном слое частиц / в подвижном слое

28. Верхняя зона теплопередачи в насыпном слое частиц / в подвижном слое

29. Стенка корпуса средней секции реактора

30. Стенка корпуса нижнего колпака реактора

31. Стенка корпуса верхнего колпака реактора

41. Внешняя оболочка верхнего колпака реактора / верхней секции устройства

42. Фланец на верхнем колпаке реактора / нижней секции устройства

43. Электроизолирующие, газонепроницаемые вводы во внешней оболочке верхнего колпака реактора

44. Линия подачи потока для промывки зазора между внутренней и внешней оболочкой верхнего колпака

45. Вывод потока для промывки из зазора между внутренней и внешней оболочкой верхнего колпака

46. Сквозные жестко зажатые в фартуке колпака реактора перемычки решетчатой электродной решетки

47. Пластины или боковые перемычки, прикрепленные с одной стороны электродных перемычек разделенного электрода

51. Горловина на внешней оболочке с приварным фланцем

52. Соединительная линия с приварным фланцем

53. Промежуточное кольцо

54. Горловина на внутренней оболочке с компенсатором и приварной пластиной с резьбовыми отверстиями

55. Уплотнители для соединения фланцев (51) и (52) с промежуточным кольцом (53)

56. Уплотнители для соединения между пластиной с резьбовыми отверстиями (54) и промежуточным кольцом (53)

57. Гильзы из электроизоляционного материала

58. Впускная труба для потока твердых частиц

61. Горловина на внешней оболочке с компенсатором и приварным фланцем

62. Свободный фланец

63. Соединительная штифт для электрического тока в нижней оболочке колпака

64. Соединительный разъем для электрического тока в качестве сопряженной детали к (63)

65. Гильзы из электроизоляционного материала

66. Уплотнители для соединения фланцев (61) и (62) с гильзой (65)

67: Гильза из электроизоляционного материала

71. Верхняя торцевая секция корпуса реактора / верхний колпак реактора / верхняя секция устройства, выполненная в форме торосферического днища

72. Опора катализатора для поддержки каталитически активного неподвижного слоя

73. Линия подачи потока газообразных исходных веществ

74. Вывод потока газообразного продукта

AEI: Площадь поперечного сечения электрода

AVE: Площадь поперечного сечения соединительного элемента

VE: Соединительный элемент

Н: Колпак

D: Уплотнительное и изолирующее кольцо

SW: Боковая стенка

WD: Теплоизоляция / каменная кладка

F1: Фланец на колпаке

F2: Фланец на боковой стенке

EI: Электрод

Т: Воронка

ZS: Цилиндрический канал

Примеры:

Сравнительный пример (аналогично US 5,946,342):

Пиролиз метана следует проводить в реакторе с подвижным слоем и прямым электрическим нагревом. Объемный поток газообразных исходных веществ составляет 11000 нм³/ч. Поток содержит 65 об. % метана, 15 об. % водорода и примерно 20 об. % азота. Поток твердого исходного вещества, который вводят в реактор сверху, составляет 11,45 т/ч. Поток частиц состоит из кокса с содержанием углерода >99,5%. Диаметр реакционной зоны составляет 3400 мм, высота электрически обогреваемой зоны - 2000 мм. На верхнем и нижнем конце зоны нагрева расположены решетчатые электроды из графита, через которые электрический ток вводится в твердотельную насадку подвижного слоя. Над верхним электродом расположена зона теплопередачи длиной 1000 мм. Аналогично под нижним электродом находится зона теплопередачи длиной 1000 мм. В реактор следует вводить электрический ток 70000 А. Ввод электрического тока осуществляется через двенадцать цилиндрических электродных подводов из графита, которые расположены в форме звезды и с равномерным размещением по окружности рубашки реактора на уровне соответствующего электрода. Электродные подводы имеют диаметр 100 мм и длину 1000 мм. В электродных подводах 1000 кВт преобразуется в тепло. Указанная мощность соответствует 12,5% необходимой мощности процесса. Она вносится в энергетический баланс процесса в качестве потерянной мощности. Кроме того, электрическую энергию, рассеиваемую в виде тепла, необходимо отводить. При этом проблема состоит в том, что удельное объемное выделение в электродных подводах составляет 6,2 МВт/м³. Соответственно, плотность теплового потока на поверхности электродного подвода составляет 154 кВт/м². Без целенаправленного интенсивного охлаждения поверхности электродного подвода такая плотность теплового потока может вызвать превышение температуры более чем на 1000 К. С указанными настройками достигается конверсия метана более 94,2%. Максимальная температура в реакторе составляет 1230°С. Разница температур между потоком твердого продукта и потоком газообразных исходных веществ в нижнем конце реактора практически равна нулю, а разница температур между потоком газообразного продукта и потоком твердого исходного вещества в верхнем конце реактора составляет 315К. Поскольку избыточное тепло возникает при умеренном уровне температуры, его можно преобразовать в механическую энергию только с низкой эффективностью.

Пример согласно изобретению:

Пиролиз метана следует проводить в реакторе с подвижным слоем и прямым электрическим нагревом. Объемный поток газообразных исходных веществ составляет 11000 нм³/ч. Поток содержит 65 об. % метана, 15 об. % водорода и примерно 20 об. % азота. Поток твердого исходного вещества, который вводят в реактор сверху, составляет 13,5 т/ч. Поток частиц состоит из кокса с содержанием углерода >99,5%. Диаметр реакционной зоны составляет 3400 мм, высота электрически обогреваемой зоны - 2000 мм. На верхнем и нижнем конце зоны нагрева расположены решетчатые электроды из молибдена, через которые электрический ток вводится в твердотельную насадку подвижного слоя. Электрод выполнен в виде спицевидной разделенной решетки с боковыми перемычками. Она содержит 12 электродных перемычек (спиц) и восемь электродных пластин (боковых перемычек) на каждой электродной перемычке. Боковой профиль электродных перемычек является прямоугольным, длиной 1600 мм и высотой 300 мм. Поперечное сечение электродных перемычек является шестиугольным, как показано на фиг. 11 Электродные перемычки выполнены в виде полых профилей. Покрытие электродных стержней состоит из многослойной сетчатой ткани (6-слойная HAVER & BOECKER POROSTAR STANDARD).

Вдоль электродных перемычек через равные интервалы 200 мм прикрепляют электродные пластины. Электродные пластины выполнены из молибдена. Электродные пластины закреплены под прямым углом и по центру на электродных перемычках, как показано на фиг. 13b. Длина электродных пластин увеличивается от центра к внешней стороне. В частности длина электродных пластин составляет (175 мм, 260 мм, 350 мм, 440 мм, 525 мм, 610 мм, 700 мм, 790 мм). Боковой профиль электродных пластин является прямоугольным. Высота электродных пластин является одинаковой и составляет 200 мм. Электроды выполнены в виде полнотелых профилей. Поперечное сечение электродных пластин является шестиугольным, как показано на фиг. 11, толщина электродных пластин является одинаковой и составляет 20 мм. Электрический ток вводится через колпаки реактора. Верхний колпак имеет форму торосферического днища и состоит из стали 1.4541 с толщиной стенок 20 мм. К колпаку прикручивается цилиндрический фартук из молибдена длиной 1000 мм. Нижний колпак имеет коническую форму и состоит из стали 1.4541 с толщиной стенок 20 мм. К колпаку прикручивается цилиндрический фартук из молибдена длиной 1000 мм. В реактор следует вводить электрический ток 67500 А. Контакт через колпак и двенадцать электродных перемычек: Тепловые потери составляют 19,5 кВт, что соответствует 0,2% передаваемой мощности. Данная мощность приводит к нагреву колпаков примерно на 100К выше температуры окружающей среды и может отводиться в окружающую среду без каких-либо специальных мер. Электродные перемычки также функционируют как каналы для бокового отвода частичного потока из реакционной зоны. Для этого электродные перемычки проходят насквозь через фартук и являются открытыми с внешнего конца. Все электродные перемычки оканчиваются в кольцевом канале, который функционирует в качестве собирающего канала для бокового отвода. В результате чего 15% газового потока выводится в верхнем конце зоны нагрева реакционной зоны. С указанными настройками достигается конверсия метана более 96,5%. Максимальная температура в реакторе составляет 1320°С. Разница температур между потоком твердого продукта и потоком газообразных исходных веществ в нижнем конце реактора составляет 26 К, а разница температур между потоком газообразного продукта и потоком твердого исходного вещества в верхнем конце реактора составляет 75 К. За счет чего достигается превосходная интеграция тепла в реакторе. Избыточное тепло отводится в основном с боковым потоком при температуре 1270°С.

Краткое обобщение:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству с твердотельной насадкой для проведения эндотермических реакций с прямым электрическим нагревом, и может быть использовано при крекинге нефтяных фракций или пиролизе углеводородов при температуре между 500 и 1700°С. Повышение эффективности использования тепла эндотермической реакции в зоне нагрева реактора, который выдерживает перепад давления более 0,5 бар, является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что по меньшей мере одна вертикально расположенная пара электродов (4, 5) и все электроды установлены в электропроводящую твердотельную насадку (26), при этом верхняя и нижняя секции устройства имеют удельную проводимость от 10⁵ до 10⁸ См/м, средняя секция устройства электрически изолирована от твердотельной насадки, верхний электрод подключен через верхнюю секцию устройства, а нижний электрод подключен через нижнюю секцию устройства или каждый из электродов подключен через один или несколько электрически контактирующих с указанными секциями соединительных элементов (10, 16), при этом соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента или, без использования соединительного элемента, соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей секции устройства составляет от 0,1 до 10. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Электрически нагреваемое выдерживающее давление устройство с насадкой для проведения эндотермических реакций с верхней (2), средней (1) и нижней (3) секцией устройства, причем в средней секции встроена по меньшей мере одна вертикально расположенная пара электродов (4, 5), и все электроды установлены в электропроводящую твердотельную насадку (26), верхняя и нижняя секция устройства имеет удельную проводимость от 10⁵ до 10⁸ См/м, а средняя секция устройства электрически изолирована от твердотельной насадки, отличающееся тем, что верхняя и нижняя секции устройства электрически изолированы от средней секции устройства, верхний электрод подключен через верхнюю секцию устройства, а нижний электрод подключен через нижнюю секцию устройства или каждый из электродов подключен через один или несколько электрически контактирующих с указанными секциями соединительных элементов (10, 16) и соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента или, без использования соединительного элемента, соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей секции устройства составляет от 0,1 до 10.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента или, без использования соединительного элемента, соотношение площади поперечного сечения верхнего и нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей секции устройства составляет от 0,3 до 3.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение площади поперечного сечения соединительного элемента к площади поперечного сечения твердотельной насадки составляет от 0,001 до 0,2 и/или соотношение площади поперечного сечения токопроводящей верхней и нижней секции устройства к площади поперечного сечения твердотельной насадки составляет от 0,001 до 0,2.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде спицевидной электродной решетки с 2-30 перемычками, расположенными в форме звезды.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электродные перемычки на своем внешнем конце соединены по меньшей мере с одним соединительным элементом или верхней или нижней секцией устройства и данное соединение представляет собой отдельное жесткое крепление для позиционирования отдельных электродных перемычек.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что температура верхнего электрода составляет по меньшей мере 350°С.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя и нижняя секции устройства выполнены в виде колпаков и с возможностью съема со средней секции устройства.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что площади токопроводящих контактов между электродом и соединительным элементом составляют между 0,1 и 10000 см².

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вертикальное расстояние между верхним краем твердотельной насадки и нижним краем электродов на верхнем электроде составляет от 10 до 5000 мм, а вертикальное расстояние между верхним краем электродов на нижнем электроде и линией подачи газообразных исходных материалов составляет от 10 до 5000 мм.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перекрытие поперечного сечения электродов составляет между 1 и 20%.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электродные перемычки имеют в каждом случае от 1 до 100 прикрепленных к ним электродных пластин и разделяют поперечное сечение устройства на ячейки решетки, причем эквивалентный диаметр ячеек решетки составляет между 10 и 2000 мм,

12. Устройство по меньшей мере по одному из пп. 1-11, отличающееся тем, что верхняя и/или нижняя секция устройства выполнена двухоболочечной и внутренняя оболочка является токопроводящим соединительным элементом, а внешняя оболочка электрически изолирована от внутренней оболочки.

13. Способ проведения эндотермических газофазных или газо-твердотельных процессов в устройстве по одному из пп. 1-12, причем материал-носитель твердотельной насадки является термостойким в диапазоне от 500 до 2000°С и обладает электропроводностью в диапазоне от 10 до 10⁵ См/см, причем в качестве материала-носителя используют углеродсодержащие материалы, а размер зерна материала-носителя составляет от 0,1 до 50 мм.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что электропроводящая твердотельная насадка выполнена в виде движущегося в противотоке слоя.

15. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что на верхнем крае твердотельной насадки разница между температурой на выходе потока газообразного продукта и потока подачи твердых частиц составляет от 0 до 500 К, а на нижнем крае твердотельной насадки разница между температурой на выходе потока твердого продукта и газообразного потока подачи составляет от 0 до 500 К.