用于裂解烃气体的方法和装置制造方法及图纸

裂解烃气体的方法，其中使烃气体经过吸收性的接收器反应器(1、30、40)的流道，其特征在于在经过接收器反应器(1、30、40)的过程中发生裂解，其中在流道(2)的第一区域(21)中，将烃气体加热到其裂解温度，在毗邻的第二下游流动区域(22)中加热到超过裂解温度，并在流道的第三更下游区域(23)中还进一步加热，并且在所述区域的横截面上与反应加速器物理接触，此后在反应加速器下游从接收器反应器(1、30、40)中排出产物料流，并且其中烃气体通过吸收黑体辐射(20)而实现加热到超过其裂解温度，所述黑体辐射由被入射到其上的太阳辐射(7)加热的反应加速器释放到流向其的烃气体，以使在流道(2)中延伸到反应加速器的烃气体形成与流道(2)横向延伸的一个接一个排列的各自具有递增温度的圆盘形温度区(60至67)。圆盘形温度区(60至67)。圆盘形温度区(60至67)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于裂解烃气体的方法和装置
[0001]本专利技术涉及根据权利要求1的上位概念的裂解烃气体，特别是甲烷的方法，和根据权利要求18、21和23的上位概念的用于进行这种方法的接收器反应器，以及根据权利要求34的固态储热器的用途。
[0002]烃气体，如甲烷、乙烷、丙烷或甚至丁烷的裂解通常以工业规模进行，其中甲烷的裂解特别被认为是未来可能的技术，因为反应CH4ꢀ‑
> C + 2 H2在无氧气的情况下进行，因此不释放CO2排放。生成的氢气充当能量载体，而碳在工业上用于制造如工业炭黑、石墨、金刚石、碳纤维、导电塑料或轮胎之类的产品。
[0003]迄今，还没有已知的工业可用和经济可行的使用太阳能裂解甲烷的方法。在这方面的困难是所需的在环境压力下大约500℃至大约1200℃的高温。在500℃下（下文称为裂解温度），在平衡状态下只有不到50%的甲烷解离，在1200℃下解离完成，但其中只有在长（理论上无限）时间后才达到平衡状态。在提高的运行压力下，需要更高温度以实现相同的平衡状态，即转化类似百分比的甲烷。总之，该反应是能量密集、缓慢和难管理的；此外，碳以游离纳米颗粒，即烟灰的形式释放。
[0004]WO 2018/205043公开了一种太阳能接收器，其中输送热以使该热用于下游工业过程的流体经过接收器的吸收室并可在其中被所述接收器中的吸收器的黑体辐射，即被红外辐射吸收性加热到所需工艺热，其中除CO2、水蒸气、SO2、SO3、NO、NO2和HCl外，甲烷因其作为红外吸收气体的性质也被认为是用于将热输送给消耗者的合适热载体。<br/>[0005]在US 7 140 181中，建议使用太阳能反应器进行吸热反应，如气体裂解，其中描述了借助专门设计的接收器反应器由CO2生产CO作为合成气成分。在这种接收器反应器中，在隧道中设置用于产生所需高温的陶瓷棒。接收器反应器的另一变体通常被描述为椭圆体形的“空腔反应器”，其中为了实现高热效率，吸收性预热要解离的气体，然后应通过由该椭圆体提供的反应器壁的整个大面积以对流方式加热到解离温度。
[0006]相应地，本专利技术的目的是提供用于甲烷裂解的太阳能法和用于甲烷裂解的接收器反应器。
[0007]通过具有权利要求1的特征的方法和通过具有权利要求18、21和23的特征的接收器反应器和同样通过根据权利要求34的分层固态储热器的用途实现这一目的。
[0008]由于烃气体或甲烷在接收器反应器中形成与流动路径横向的圆盘形温度区和因此各个层中具有相同温度水平的预定的特定温度分层，甲烷在反应加速器的方向上进行持续加热，而无法形成或获得不利影响解离程度的冷区或过热区，因此将整个甲烷料流逐渐加热到所需反应温度。通过使甲烷与物理反应加速器接触，提高反应速度以使得在经过的接收器反应器中实现基本完全反应。通过将甲烷借助吸收加热到超过其裂解温度和远远超过其裂解温度，获得特别高效的热化学过程，其中可随后在反应加速器中相对突然地引发裂解反应直至用于完全解离的平衡温度（和更高），其中在构造简单并具有低维护要求的接收器反应器中实现所有这些优点。
[0009]由于接收器反应器可用可还原气体交替运行，甚至在接收器反应器进行关于碳沉积的维护时也可生产合成气，该合成气同样可以工业规模用于燃料的合成生产。
[0010]由于接收器反应器在吸收器区域中具有用于生成种子的装置，固定式安装的吸收器可被种子云替代，其优点是在种子上形成碳沉积，碳和氢气因此经由种子随产物流直接从接收器反应器中排出，以使得在这方面不需要关于碳沉积的维护，并且整体维护需求相应地减少。
[0011]由于接收器反应器配有可更换的吸收器元件，甚至在运行过程中，例如在运行正在进行的同时或在运行仅短暂停顿下，其功能因碳沉积受损的元件可被换出并单独清洁或更换。
[0012]通过将分层固态储热器用于裂解烃气体，带来能使裂解持续整夜运行的另一种简单且成本有利的可能性，其中其所需的热在日间运行过程中优选通过接收器反应器供入用作储热器反应器的储热器。
[0013]进一步优选的实施方案具有从属权利要求的特征。
[0014]在下文中参考附图更详细描述本专利技术。
[0015]其中：图1a显示根据本专利技术根据第一实施例设计的接收器反应器的纵剖面的示意图，图1b显示与在1500 K的黑体的辐射强度相比较的太阳辐射的辐射强度，图2显示根据本专利技术根据第二实施例设计的接收器反应器的纵剖面的示意图，图3a显示根据本专利技术根据第三实施例设计的接收器反应器的纵剖面的示意图，图3b显示图3a的接收器反应器的纵剖面的示意图，其中该剖面偏移90度，图4显示与在接收器反应器的运行过程中的温度分布图表一起的图3b的纵剖面的示意图，图5显示具有改进的进料通道的接收器反应器的另一实施方案的示意图，图6显示根据图5的接收器反应器的一个实施方案的示意图，图7显示根据图5的接收器反应器的一个实施方案在水平运行位置的视图，图8显示图7的接收器的环形空间的截面，图9显示来自图8的放大细节，图10显示根据模拟在图6至9的接收器中的温度分布，图11显示纯甲烷和CO2的吸收率，图12a显示在裂解完成后根据本专利技术用于热回收的布置的一个实施方案的示意图，图12b显示使用回收的热继续裂解的布置的示意图，和图13显示用于在继续裂解下回收热的扩展布置的示意图。
[0016]图1a显示根据第一实施方案的吸收性接收器反应器1的纵剖面，其具有流道2
ꢀ‑ꢀ
在所示实施方案中设计为圆柱形
ꢀ‑ꢀ
以供箭头3、4所示的工艺气体穿过其中，所述流道从被窗5封闭的太阳射线7的孔口6通往接收器反应器1的出口8。太阳射线7经过孔口6落到接收器反应器1的吸收器区9上，其因此位于入射太阳辐射的路径中（其中被侧壁13反射的可能辐射也到达吸收器区9），在所示实施方案中将吸收器10布置在其中。将独立吸收器面板11经支柱12互相连接并悬挂在流道2中，由此形成吸收器10。布置吸收器面板11以使它们位于孔口6对面，因此使吸收器10的整个维度在运行过程中被直接落在其上的太阳辐射7照射。面板11也相对于彼此错开布置，因此工艺气体和工艺产物可容易地在吸收器面板11之间流
经
ꢀ–ꢀ
工艺气体能够流经吸收器区9和吸收器10。也可想到吸收器10的另一种配置，例如一个接一个且此时相对于彼此错开的一个或两个穿孔板。最后可以想到，吸收器由接收器反应器1本身的后壁10'形成，其中此时设置仅一个出口8或多个出口通道。本领域技术人员可为具体情况适当地构造吸收器或被设计为吸收器的后壁。
[0017]在运行中，将烃气体，如甲烷作为工艺气体经供应线路15供入接收器反应器1，优选（但不是必须）在热交换器16中预热并经由输送线路17输送到在孔口6处设置的环形管18，如箭头4所示从此处经由进料通道19排放到流道2中。已被太阳辐射7加热的吸收器10如箭头20所示发射红外范围内的黑体辐射（关于这一点，参见图1b的描述）。
[0018]根据箭头3在流道中流动的工艺气体，在这种情况下是甲烷，对太阳辐射7极其透明，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.裂解烃气体的方法，其中使烃气体经过吸收性的接收器反应器(1、30、40)的流道(2)，其特征在于在经过接收器反应器(1、30、40)的同时发生裂解，其中在流道(2)的第一区域(21)中，将烃气体加热到其裂解温度，在毗邻的第二下游流动区域(22)中加热到超过裂解温度，并在流道的第三更下游区域(23)中还进一步加热，并且在所述区域的横截面上与反应加速器物理接触，此后在反应加速器下游从接收器反应器(1、30、40)中排出产物料流，并且其中烃气体通过吸收黑体辐射(20)而实现加热到超过其裂解温度，所述黑体辐射由被入射到其上的太阳辐射(7)加热的反应加速器释放到流向其的烃气体，以使在流道(2)中延伸到反应加速器的烃气体形成与流道(2)横向延伸的一个接一个排列的各自具有递增温度的圆盘形温度区(60至67)。2.根据权利要求1的方法，其中接收器反应器(1、30、40)的吸收器(10、41)用作反应加速器，经过接收器反应器(1、30、40)的介质流经所述吸收器。3.根据权利要求1的方法，其中在第三流动区域(23)中将种子(32)云喷射到流动的烃气体中，以在流动的横截面上引发裂解，并且其中形成所述云以使其位于入射阳光的路径(7)中，吸收所述阳光，由此加热并且也将黑体辐射(20)向上游释放到流动的甲烷中。4.根据权利要求3的方法，其中使用烟灰颗粒作为种子(32)。5.根据权利要求1的方法，其中周期性地代替烃气体周期中的烃气体，使可还原气体经过接收器反应器(1、30、40)，以使沉积在流路(2)中的烟灰在氧化周期的过程中通过与可还原气体的化学反应而脱落。6.根据权利要求5的方法，其中使用水蒸气作为可还原气体，优选以使接收器反应器(1、30、40)在氧化周期中产生合成气并在烃气体周期中产生炭黑和氢气。7.根据权利要求1的方法，其中在达到沉积物的预定阈值后，在持续运行过程中更换或清洁吸收器(10、41)或吸收器(10、41)的部件。8.根据权利要求1的方法，其中所述烃气体是甲烷。9.根据权利要求1的方法，其中至少烃气体相对于流道(2)的纵轴(52)切向供应，以使导向流道(2)的第三区域(23)的气体还围绕平行于纵轴(52)的轴旋转。10.根据权利要求1的方法，其中使气体的至少一种，即烃气体或可还原气体在流道(2)的区域(21)至(24)的至少区域(21)和(22)中旋转，以使其在流道(2)中具有围绕平行于输送方向(3)的轴(52)的旋流。11.根据权利要求1的方法，其中在烃气体周期中，除烃气体外还将CO2供入接收器反应器并经过所述接收器反应器，以使其与烃气体一起吸收性加热。12.根据权利要求11的方法，其中使用甲烷作为烃气体，并且在流道(2)的第三区域(23)中，甲烷摩尔数/甲烷和CO2的混合物的摩尔数为60至90%，优选60
ꢀ‑ꢀ
70%，特别优选66.67%。13.根据权利要求1的方法，其中在反应加速器下游从接收器反应器(1、30、40)中排出的热产物料流经由第一线路布置供应到具有固态储热器元件(177)的分层储热器反应器(172、172')，然后经过该储热器反应器，以使其被充入来自所述产物的热量直至高于裂解温度的温度。14.根据权利要求13的方法，其中经充热的储热器反应器(172、172')通过在其中裂解烃气体而卸热。
15.根据权利要求14的方法，其中将烃气体经由第二线路布置从烃气体源供入储热器反应器(172、172')，然后经过所述储热器反应器，其中烃气体在经过该储热器反应器的同时与其固态储热器元件(177)物理接触以加速裂解。16.根据权利要求14的方法，其中将氧化性气体经由第三线路布置从氧化性气体源供入储热器反应器(172、172')，然后经过所述储热器反应器，以使得从中除去沉积在固态储热器元件(177)上的碳，其中所述氧化性气体优选是水蒸气、CO2或这些气体的混合物。17.根据权利要求14的方法，其中将多个储热器反应器经由第一线路布置连接到接收器反应器(1、30、40)，并经由第二线路布置连接到烃气体源，且这些储热器反应器(172、172')之一交替充热，同时另一个(172'、172)通过烃气体的裂解进行卸热。18.用于裂解烃气体，特别是甲烷的接收器反应器，其包括太阳辐射(7)的孔口(6)、和用于使要裂解的甲烷经过接收器反应器(1、30、40)的流道(2)、和布置在入射太阳辐射(7)的路径中、被设计为吸收太阳辐射、在运行过程中将黑体辐射(20)向上游发射到流道(2)中的吸收器区(9)，其特征在于吸收器区(9)布置和设计为其位于太阳辐射(7)的孔口(6)的对面并在运行过程中其整个维度被直接入射在其上的太阳辐射(7)照射，其中设置用于烃气体的供应线路段(14)和用于使碳氧化的气体的供应线路段(15)，它们可切换...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：信赫利恩股份公司，
类型：发明
国别省市：