使用模块化催化加热系统的电驱动化学反应器的制作方法

本申请总体上涉及化学反应器，更具体地但不排他地，涉及采用一个或多个催化模块的电加热化学反应器。

背景技术：

1、用于生产商品和/或精细化学品的许多化学反应器依赖于化石燃料(例如天然气、石油和煤)的燃烧来提供热量或能量。由于有限的燃烧器效率以及向环境空气、向反应器壁以及向反应器中的惰性填料的传热损失等等，这种向催化剂和反应物流的热量传递通常效率较低。这导致反应器系统的热效率差。此外，催化剂的有效性可能会由于传质限制而受限。

2、为了提高总体能量效率，化石燃料驱动的化工设备利用昂贵的热交换设备、蒸汽管理系统和其他系统/过程控制。因此，大型集中化工设备需要利用规模经济的优势。由于启动-关闭事件处理不佳，这些设备必须在极高的容量系数下运行。

3、基于化石燃料的反应堆系统的碳足迹是显著的。在某些情况下，化工设备40％以上的co2排放量可归因于燃料的燃烧。烟道气流中的低co2浓度及杂质会产生难以脱碳的co2流。随着人们对全球co2排放的日益关注，这些难以捕获的排放将有可能成为现有化工设备的额外成本。

4、化石燃料驱动供热的替代方案是通过电力提供热量。随着可再生能源的利用率日益提高，反应系统的电气化由于经济以及环境原因引起了人们的关注。为了以经济高效的方式向系统提供工艺效率增益，必须优化相关反应器组件(即催化剂和反应物的界面)的电驱动供热。

5、先前的电气化尝试考虑引入电加热组件，例如筒式加热元件、电阻加热反应器管、热泵或由易受感应加热影响的材料组成的传统催化剂纳米粒子。虽然这些系统设计提供了一定程度的电气化，但是它们都受到效率限制(例如能量效率、催化剂利用效率、传质效率中的至少一项)或操作困难，例如热点的形成，热量分布以及过程控制系统差。

6、概要

7、提供本概要是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下文的详细描述部分做进一步描述。本概要并不旨在识别或排除所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的帮助。

8、本公开涉及使用电驱动热转化系统进行化学转化的系统和方法，更具体地，涉及使用可再生能源将碳基原料(例如天然气、co2)转化为燃料和化学品的系统和方法。在一些情况下，本发明的主题涉及互相关联的产品，特定问题的替代解决方案和/或一个或多个系统和/或物品的多种不同用途。

9、在一方面，本发明的实施方案涉及一种催化模块，该催化模块具有绝缘外壳，包含在绝缘外壳内并被设置为使反应物经过催化加热元件的催化加热元件，以及被设置为向催化加热元件施加电力的导体，其中催化加热元件是加热元件和催化材料的组合，并且该催化模块被设置为与第二催化模块连接。

10、在一些实施方案中，导体通过施加电力来加热催化加热元件。加热可以是电阻加热或感应加热。

11、在一些实施方案中，催化加热元件是金属或陶瓷结构，包括ni、al、cu、au、ag、fe、co、pt、pd、c、in、ta、w、sn、in或zn中的至少一种。

12、在一些实施方案中，催化加热元件具有金属氧化物涂层或成分，包括al、cr、fe、co、na、k、mg、ca、mn、sn、si、la、pr、ce或zn中的至少一种。

13、在一些实施方案中，催化加热元件包括具有na、k、mg、ca、p、mg，mn、ta、la、pr、ce或nb中的至少一种的促进添加剂。

14、在一些实施方案中，催化加热元件通过模板、3d打印、挤出、球磨、烧结、脱合金、冶金发泡、粉末冶金、聚合物海绵模板或直接墨水书写来制造，以产生尺寸在1微米至1米范围内的三维结构。

15、在一些实施方案中，催化加热元件具有分级结构。分级结构可以通过表面处理来实现，表面处理可以包括浸涂、腐蚀、电镀、电氧化、电还原、电化交换、润湿浸渍、沉积沉淀或其他表面改性技术。分级结构可以涉及结构、孔径、组成、表面积或活性材料。

16、在一些实施方案中，催化加热元件具有高表面积。表面积可以在0.01和1000m2/g之间。

17、在一些实施方案中，催化模块包括封闭绝缘外壳的第一间隔件和第二间隔件，催化模块设置为在第一间隔件、第二间隔件或两者处与第二催化模块连接。在一些实施方案中，第一间隔件、第二间隔件或绝缘外壳中的至少一个是陶瓷的。

18、在一些实施方案中，导体位于催化加热元件的中心。

19、在另一方面，本发明的实施方案涉及一种反应器，该反应器具有多个上述催化模块，位于反应器近端用于接收反应物的入口，以及位于反应器远端用于输出产物的出口。多个催化模块端对端连接并形成反应物通过各个催化加热元件的通道。每个导体将电力施加到其催化加热元件，独立于施加到其他催化加热元件的电力。当反应物通过施加电力而被加热时，反应物通过各个催化加热元件而产生产物。

20、在一些实施方案中，反应器设置为在0至2500℃的温度范围内和1至500巴的压力范围下运行。

21、在一些实施方案中，反应器的形状被设置为促进气固相互作用和内部混合的形状。

22、在一些实施方案中，向每个催化加热元件均匀提供电力。

23、在一些实施方案中，根据加热要求向每个催化加热元件提供电力。

24、在一些实施方案中，反应器是具有环空和中心的管中管构造，环空和中央填充有不同的材料；反应器系统是紧凑的、电动的、两级反应器系统。在一些实施方案中，反应器被设置为在中心引发放热反应，从中心释放热量，并将释放的热量有效地传递到吸热过程。

25、在又一方面，本发明的实施方案涉及一种通过反向水煤气变换反应将co2转化为co的方法。该方法包括将co2和h2的混合物加入上述反应器系统，使co2和h2通过反应器中各催化模块的催化加热元件；通过电阻加热、感应加热、介电加热或基于频率的加热中的至少一种在每一个催化模块中产生热量，由此通过反向水煤气变换反应将co2转化为co。

26、在另一方面，本发明的实施方案涉及一种通过干甲烷重整反应将co2转化为co的方法。该方法包括将co2和ch4的混合物加入上述反应器系统，使co2和cf4的混合物通过反应器中各催化模块的催化加热元件；通过电阻加热、感应加热、介电加热或基于频率的加热中的至少一种在每一个催化模块中产生热量，由此通过干甲烷重整反应将co2转化为co。

27、在又另一方面，本发明的实施方案涉及一种通过热化学水分解反应将h2o转化为h2的方法。该方法包括将h2o的混合物加入上述反应器系统，使h2o通过反应器中各催化模块的催化加热元件；通过电阻加热、感应加热、介电加热或基于频率的加热中的至少一种在每一个催化模块中产生热量，由此通过热化学水分解反应将h2o转化为h2。

技术实现思路

技术特征：

1.一种催化模块，包括：

2.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述导体通过施加电力来加热所述催化加热元件。

3.根据权利要求2所述的催化模块，其中所述加热是电阻加热或感应加热。

4.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件是金属或陶瓷结构，包括ni、a1、cu、au、ag、fe、co、pt、pd、c、in、ta、w、sn、in或zn中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件具有金属氧化物涂层或成分，包括al、cr、fe、co、na、k、mg、ca、mn、sn、si、la、pr、ce或zn中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件包括具有na、k、mg、ca、p、mg，mn、ta、la、pr、ce或nb中的至少一种的促进添加剂。

7.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件通过模板、3d打印、挤出、球磨、烧结、脱合金、冶金发泡、粉末冶金、聚合物海绵模板或直接墨水书写来制造，以产生尺寸在1微米至1米范围内的三维结构。

8.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件为分级结构。

9.根据权利要求8所述的催化模块，其中所述分级结构通过表面处理实现，所述表面处理包括浸涂、腐蚀、电镀、电氧化、电还原、电流交换、润湿浸渍或沉积沉淀中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的催化模块，其中所述分级结构与结构、孔径、组成、表面积或活性材料有关。

11.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述催化加热元件具有高表面积。

12.根据权利要求11所述的催化模块，其中所述表面积在0.01和1000m2/g之间。

13.根据权利要求1所述的催化模块，还包括第一间隔件和第二间隔件，所述第一间隔件和第二间隔件封闭所述绝缘外壳，其中所述催化模块设置为在第一间隔件、第二间隔器或两者处与第二催化模块连接。

14.根据权利要求13所述的催化模块，其中所述第一间隔件、第二间隔件或绝缘外壳中的至少一个是陶瓷的。

15.根据权利要求1所述的催化模块，其中所述导体位于所述催化加热元件的中心。

16.一种反应器，包括：

17.根据权利要求16所述的反应器，所述反应器设置为在0至2500℃的温度范围内和1至500巴的压力范围下运行。

18.根据权利要求16所述的反应器，其具有被设置为促进气固相互作用和内部混合的形状。

19.根据权利要求16所述的反应器，其中向每个催化加热元件均匀提供电力。

20.根据权利要求16所述的反应器，其中根据加热要求向每个催化加热元件提供电力。

21.根据权利要求16所述的反应器，其中所述反应器为具有环空和中心的管中管构造，其中：

22.根据权利要求21所述的反应器，其中所述反应器被设置为在中心引发放热反应，从中心释放热量，并将释放的热量有效地传递到吸热过程。

23.一种通过反向水煤气变换反应将co2转化为co的方法，该方法包括：

24.一种通过干甲烷重整反应将co2转化为co的方法，该方法包括：

25.一种通过热化学水分解反应将h2o转化为h2的方法，该方法包括：

技术总结
一种反应器系统，包含多个端对端连接的催化模块，形成反应物通过分别加热的催化加热元件的通道，从而产生产物。每个催化模块具有包含催化加热元件并被设置为使反应物经过催化加热元件的绝缘外壳。模块中的导体向催化加热元件施加电力，催化加热元件作为催化材料和加热元件的组合运行。

技术研发人员：B·祖吉克
受保护的技术使用者：利迪恩实验室公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12