RU2778871C2 - Device with solid-state nozzle for endothermal reactions with direct electrical heating - Google Patents
Device with solid-state nozzle for endothermal reactions with direct electrical heating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778871C2 RU2778871C2 RU2020128169A RU2020128169A RU2778871C2 RU 2778871 C2 RU2778871 C2 RU 2778871C2 RU 2020128169 A RU2020128169 A RU 2020128169A RU 2020128169 A RU2020128169 A RU 2020128169A RU 2778871 C2 RU2778871 C2 RU 2778871C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- reactor
- cross
- electrodes
- section
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title abstract description 43
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 80
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 37
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 26
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 22
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 21
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 claims description 15
- 239000012265 solid product Substances 0.000 claims description 8
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 abstract description 18
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 12
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 10
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 31
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 26
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 25
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 21
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 14
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 13
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 9
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 7
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N hydrogen cyanide Chemical compound N#C LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 4
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000005997 Calcium carbide Substances 0.000 description 3
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 3
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 3
- CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 2-[2-[2-[2-[bis[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]amino]-5-bromophenoxy]ethoxy]-4-methyl-n-[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]anilino]acetate Chemical compound CC1=CC=C(N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)C(OCCOC=2C(=CC=C(Br)C=2)N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)=C1 CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 1-Butene Chemical compound CCC=C VXNZUUAINFGPBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N Ethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1 YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 2
- IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N butene Natural products CC=CC IAQRGUVFOMOMEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical class [H]C#C* 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010744 Boudouard reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000007931 coated granule Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 150000001993 dienes Chemical class 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000007688 edging Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 239000006261 foam material Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- -1 graphite Chemical compound 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007327 hydrogenolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006057 reforming reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010671 solid-state reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000001149 thermolysis Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
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.The present invention relates to a heated device with a packing for endothermic reactions, which can be divided into the upper, middle and lower sections of the device, and the upper and lower sections of the device are electrically isolated from the middle section of the device, with at least one vertically located pair of electrodes, which connected through a pressure-resistant jacket of the device in the upper and lower sections of the device, and with an electrically conductive solid-state nozzle, which is electrically isolated from the side wall of the middle section of the device.
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.Strongly endothermic reactions are often the beginning of the production chain in the chemical industry, for example, in the cracking of petroleum fractions, the reforming of natural gas or naphtha, the dehydrogenation of propane, the dehydroaromatization of methane to benzene, or the pyrolysis of hydrocarbons. Temperatures between 500 and 1700°C are required to achieve technically and economically attractive yields. The reason for this lies mainly in the thermodynamic limitation of the equilibrium conversion.
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.Endothermic high temperature reactions pose two main requirements for technical implementation: first, high energy density heat input at the required reaction temperature, and second, integrated heat recovery between product and feed streams. Thanks to the integrated heat recovery, the temperature difference between the storage temperature of the products/starting materials and the desired reaction temperature can be made up with minimal energy consumption.
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.Fluidized bed reactors are used in the prior art for heat-integrated endothermic processes (Levenspiel, O. (1988), Chemical engineering's grand adventure. Chemical Engineering Science, 43 (7), 1427-1435). Various concepts are used to supply heat to an endothermic reaction.
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.US 2002/0007594 discloses a process for the parallel production of hydrogen and carbonaceous products in which natural gas is introduced into the reaction space and thermally decomposed in the presence of a carbon rich solid. US 2002/0007594 discloses that the carbonaceous solid is heated in a reactor separate from the thermal decomposition reaction space. Heating occurs by means of exhaust gases arising from the combustion of hydrocarbons or hydrogen. The heated solid is then introduced into the reaction space.
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.The disadvantage of using a solid as a heat transfer medium is that the solid must be heated above the reaction temperature level in a separate combustion chamber and circulate between the combustion chamber and the reaction chamber. Hot solid operation results in extreme thermal and mechanical stress on the reactor and controls. In addition, the flow of solid particles is associated with the heat demand of the reaction, and a uniform distribution of mass flows across the cross section is a necessary condition to achieve optimal heat integration. Therefore, the ratio between the gas flow and the solids flow can only be controlled within a narrow range.
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.International application WO 2013/004398 discloses that the thermal energy for the heat transfer medium is generated outside the reaction space and a gaseous heat transfer medium is used which is inert to the decomposition reaction and/or is the product of said reaction. The disadvantage is that the flow of solid particles is associated with the requirements of heat integration. In addition, the decomposition reaction product stream passes through a temperature drop region in which a reverse reaction can take place.
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.The prior art (eg, US Pat. No. 6,331,283) further discloses autothermal processes in which the heat required for an endothermic reaction is generated from an exothermic co-reaction in the same reaction space. The disadvantage of these autothermal methods is the contamination of the stream of gaseous products with flue gases, for example, in the case of pyrolysis of hydrocarbons, the removal of carbon-containing components into a hydrogen-rich product stream. In addition, losses in the yield of the product are unfavorable, in the case of the pyrolysis of hydrocarbons, a significant loss of pyrolysis carbon.
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.Therefore, heat can be transferred indirectly, for example recuperatively (eg EP 15168206) or via heat pipes (eg US 4372377) from an exothermic to an endothermic reaction chamber. The disadvantage of this concept is the complex structures in the hot section of the reaction chamber, which put forward high material and structural requirements for sealing and avoiding thermal stresses. In addition, these internal structures interfere with the flow of solid particles. Another problem with this concept is the fouling of the heat exchanger surfaces; for example, in the case of pyrolysis of hydrocarbons, the deposition of pyrolytic carbon preferably occurs on hot surfaces.
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.US Pat. No. 2,982,622 describes thermally integrated pyrolysis of hydrocarbons in a moving bed of inert materials. Temperatures above 1200°C required for pyrolysis are achieved by electrical heating. In the two figures of US Pat. No. 2,982,622, the electrodes are positioned horizontally. The possibility of a vertical arrangement is disclosed in the description. It can be deduced from the figure of US 2982622 that the electrode inlets are located in the hot zone of the reactor. As a result of this, several disadvantages appear; on the one hand, the electrode bushings form a thermal bridge, which can cause significant heat losses, and on the other hand, the bushing itself is mechanically complex, since it must pass through layers with different thermal expansion, i.e. the reactor wall is made of steel, and the heat-insulating layers are made of mineral materials. As a result, the bushing may experience high bending moments. In addition, the electrode leads must have a high temperature resistance and therefore a certain electrical resistance of the material must be taken into account; usually graphite is used.
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.US Pat. No. 2,799,640 describes the production of acetylenes in a fluidized bed reactor, with the necessary energy supplied electrically. The electrodes can be placed horizontally or vertically. For vertical arrangement, an annular, spoke-like electrode array is disclosed. It is described that the vertical arrangement provides a good distribution of electric current throughout the space of the reactor. It can be seen from the figures in US Pat. No. 2,799,640 that for both the horizontal and vertical arrangement of the electrodes, the electrode inlets are in the hot zone of the reactor.
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.Austrian patent AT 175243 describes an electric furnace with two vertical electrodes for transferring current to bulk material, located in the furnace shaft, and the upper electrode is made in the form of a horizontal rectilinear hollow body with internal cooling and is located inside the packing of bulk material. In this disclosure, the electrode entry is also located in the hot zone of the reactor and passes through the lined reactor lid.
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.Swiss patent CH 278580 discloses a shaft furnace with two vertically arranged ring electrodes for transferring current to bulk material located in the shaft furnace, with the upper electrode located inside the bulk material packing, while the lower electrode is located directly above the gas inlet. In this disclosure, the electrode entry is also located in the hot zone of the reactor and passes through the side wall of the lined reactor.
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.US Pat. No. 3,259,565 discloses an electrically heated fluidized bed reactor for the pyrolysis of hydrocarbons. The document does not disclose any details about the geometric arrangement and design of the electrodes. Figure 2 of US Pat. No. 3,259,565 shows the entry of power lines through the side wall of the reactor. Therefore, this solution also has the disadvantages mentioned above.
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.A significant advantage of the horizontal arrangement of the electrodes is that the electrodes do not overlap the cross section of the reactor. In addition, in a horizontal arrangement, by means of vertically separated electrodes, the electric current and therefore the heat output can be distributed purposefully along the direction of flow.
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.The advantages of a vertical arrangement include the distribution of current over a large cross-sectional area of the reactor, in addition, the parallel orientation of the lines of electric potential in the direction of flow and the possibility of direct current over the entire height of the reactor.
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.US Pat. Nos. 5,903,591, US 5,406,582 and US 5,974,076 describe an apparatus and method for activating or regenerating carbon in an unpressurized tubular reactor which consists of two or more zones one above the other. The carbon at the upper end is introduced into the upper zone through a feed funnel which is connected to the reactor and is then directed to the respective subsequent zones through the funnel-shaped distributors. The reactor is electrically heated, and the electric current is supplied to the upper zone through the feed funnel, and to the middle zones through funnel-shaped distributors. This does not describe the details of the connections of the hopper, the connecting element and the electrodes. US Pat. No. 5,903,591 respectively discloses both electrode inlets in the hot zone of the reactor and a flat closure through an external hopper in the cold zone. The disadvantage of this invention is that the electric current is distributed to the carbon layer not only through the electrode, but also along the wall of the hopper. Another disadvantage is that the connection of the electrode to the conductive body creates additional contact resistances, which lead to undesirable dissipation of electrical energy into thermal energy. In addition, the interfaces of materials on the connecting elements are weak points for the mechanical stability of the electrodes. Finally, overlapping of the cross section with a graphite electrode formed in the form of a block leads to an uneven distribution of the flow of solids over the cross section of the reactor.
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.US Pat. No. 5,946,342 describes the production and activation of activated carbon in an electrically heated moving bed. Figure 3 of US Pat. No. 5,946,342 shows ring-shaped electrodes with a large cross-sectional area >50%. The electrodes are made of carbon and have pointed ends parallel to the direction of activated carbon flow. The specific contacting of the electrodes is not described; Figure 3 of US Pat. No. 5,946,342 shows that the contact is not through the reactor cap.
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).US Pat. No. 7,288,503 also describes the preparation and activation of activated carbon in an electrically heated fixed bed. Use rod electrodes; the electrodes are inserted through the lid and the electrodes are insulated from the lid (see FIG. 3 of US Pat. No. 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.Patent application DE 10236019 A1 describes a reactor for carrying out endothermic reactions which is equipped with one or more heating blocks which completely fill the cross section of the reactor and which are electrically insulated from the inner wall of the reactor and optionally from each other, the heating blocks being formed of foam material with open pores. The type and method of contacting the electrodes is not described.
Несмотря на множество преимуществ электрического обогрева:Despite the many advantages of electric heating:
(i) Мощность нагрева в основном постоянна во всем температурном диапазоне и не ограничена температурой теплоносителя.(i) The heating power is basically constant over the entire temperature range and is not limited by the temperature of the heating medium.
(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.(ii) The absence of fuel materials and coolant simplifies the design of the reactor and saves control loops for dosing the appropriate streams of materials in the periphery of the reaction zone. In addition, contamination/dilution of process streams with foreign substances is excluded. As a result, the operational reliability of the reactor is increased.
(iii) Мощность нагрева может быть достигнута в простом реакторе без встроенных элементов, т.е. с неструктурированным поперечным сечением. В результате чего обеспечивается надежное масштабирование.(iii) The heating power can be achieved in a simple reactor without built-in elements, i.e. with unstructured cross section. As a result, reliable scaling is ensured.
(iv) Обогрев не имеет локальной эмиссии вредных веществ. При использовании регенеративных источников, не содержащих СО2, обогрев фактически полностью не имеет эмиссии вредных веществ,(iv) Heating has no local emission of harmful substances. When using regenerative sources that do not contain CO 2 , heating is virtually completely free of emissions of harmful substances,
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.therefore, until now, the decisive disadvantage of heating has been that electricity is more expensive than fossil energy sources. However, this disadvantage should disappear in the next few years due to the transition to alternative energy sources.
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.In addition, there is still no concept of a reactor for the efficient input and uniform distribution of electrical energy in reactors with packings for endothermic gas-phase or gas-solid reactions at high temperatures. The approaches indicated in the cited prior art for contacting the electrodes through the reactor jacket turn out to be impracticable when implemented in practice. First, the introduction of electrical connections in the hot zone of the reactor is extremely costly and prone to breakage. Secondly, the contact of the electrodes with the current source is almost point-like. This feature has several disadvantages: Electric current is distributed unevenly over the cross section of the nozzle. In addition, the connecting elements that provide electrical contact between the electrodes have a small cross-sectional area and therefore a high electrical resistance. As a result, a significant part of the input electrical energy is dissipated in the connecting elements and in the electrode itself, in particular if it consists of graphite. Consequently, the electrical energy is underused in the reactor packing. In addition, the connecting elements and/or the electrode must be purposefully cooled, which requires an expensive and complex design of the device. Thirdly, the design of the electrodes and associated connectors is not scalable: consequently, the operating conditions in a test reactor with a small cross-sectional area are not representative of a technical device with a large cross-sectional area.
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.In industry, electrical heating is currently only used in a few large processes; for example, in the chemical gas-phase reaction of ammonia and hydrocarbons to produce hydrocyanic acid at temperatures from 1300 to 1600°C in a fluidized bed reactor of electrically conductive carbon particles, or in the production of calcium carbide in smelting reduction furnaces at temperatures from 2000°C to 2300°C. Figure 2 of US Pat. No. 3,157,468 shows a hydrocyanic acid reactor with vertically arranged rod-shaped electrodes, which has its own inlet for each electrode. Ullmann's encyclopedia, chapter "Calcium carbide", mentions pre-baked carbon electrodes or self-baking Soederberg electrodes. A common type in the prior art are Soderberg-type hollow electrodes. The electrodes work with three-phase alternating current and contact along their circumference with the cooled terminals. Since carbon is the starting material for the production of calcium carbide, the electrodes are consumed and need to be built up. The disadvantages of these designs are the laborious input of individual electrodes through the reactor vessel, since each input must be separately sealed and have electrical contacts, and must also provide the possibility of controlled axial movement of the electrode. In addition, the number of injections required increases in proportion to the cross-sectional area of the reactor.
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.In industrial reactors, the temperature difference between the central axis and the reactor vessel can be more than 500K. Under these operating conditions, open configurations of electrode arrays that are integral and rigidly fixed around the circumference may crack.
В настоящее время не имеется коммерчески эксплуатируемого реактора с электрическим подогревом и насадкой для проведения эндотермических реакций в газовой фазе или газо-твердотельных реакций.Currently, there is no commercially operated reactor with electrically heated packing for carrying out endothermic reactions in the gas phase or gas-solid-state reactions.
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.Most traditionally operated high temperature processes are heated using combustion furnaces. These methods cannot do without the export of energy for economically justified work; only about 50% of the heat generated in the process is actually used for the endothermic reaction. Therefore, complete thermal integration is as yet an unattainable goal.
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.Therefore, the object of the present invention was to demonstrate an adaptable, scalable electrically heated device concept, in particular the concept of a pressurized reactor, for a class of endothermic high temperature processes utilizing a structured space. Another task was to supply electrical energy to the heating zone of the device, in particular the reactor, with small losses. This means that preferably more than 99% of the electrical energy introduced into the device must be released in the heating zone. Another challenge was to ensure that the current flowed as evenly as possible along the entire length of the heating zone; whereby an approximately uniform heating of the packing and hence a linear interaction can be achieved. Another objective was to demonstrate a packed device, in particular a packed reactor, which has as complete thermal integration as possible. Another objective was that the tests in a small cross-sectional area test reactor should be representative of an industrial device, in particular an industrial reactor. In addition, the electrically heated apparatus, in particular the electrically heated reactor, should generally have a simple structure from a hardware point of view.
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.Unexpectedly, it was possible to demonstrate an electrically heated device with a pressure with a nozzle, in particular a reactor, with an upper (3), middle (1) and lower (3) section of the device, and in the middle section (1) at least one vertical located pair of electrodes (4,5), and all electrodes are installed/immersed in an electrically conductive solid nozzle (26), the upper and lower sections of the device have a conductivity from 10 5 S/m to 10 8 S/m, and the middle section of the device is electrically isolated from a solid nozzle, characterized in that the upper and lower sections of the device are electrically isolated from the middle section of the device, the upper electrode is connected through the upper section of the device, and the lower electrode is connected through the lower section of the device, or each of the electrodes is connected through one or more electrically contacting with the specified sections of the connecting elements (10, 16), and the ratio of the cross-sectional area of the upper and/or, n preferably and, the lower electrode to the cross-sectional area of the corresponding conductive connecting element or, without using a connecting element, the ratio of the cross-sectional area of the upper and/or, preferably, the lower electrode to the cross-sectional area of the corresponding conductive section of the device is from 0.1 to 10.
Устройство согласно изобретению также обозначается далее как «реактор».The device according to the invention is also referred to hereinafter as "reactor".
В настоящей заявке под «устройством, выдерживающим давление» понимают устройство, которое выдерживает перепад давления более 0,5 бар между его внутренней частью и окружающей средой.In the present application, "pressure-resistant device" means a device that can withstand a pressure difference of more than 0.5 bar between its interior and its surroundings.
В настоящей заявке под «колпаком» понимают торцевой участок корпуса реактора, выдерживающего давление.In the present application, "cap" is understood to mean the end section of the pressure vessel of the reactor.
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).By "connector" in this application is understood the structural elements of the device, which are connected to the cap with the ability to conduct electricity and which conduct electrical current from the connection points on the cap to the electrodes. The connecting element is, for example, an apron attached to the reactor cap (see Fig. 1a).
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.The connecting elements are preferably located on the outer circumference of the solid nozzle. The area of the clearance of the cross section of the connecting element, i.e. the area surrounded by the connecting element is preferably more than 90%, preferably more than 95%, in particular more than 98% of the cross-sectional area of the solid nozzle. Particularly preferably, the connecting elements are connected at the same level in the circumferential direction with the edging of the solid nozzle. Advantageously, the connecting elements have a cylindrical or prismatic shape. The connecting elements preferably overlap horizontally less than 10%, preferably less than 5%, in particular less than 2% of the cross-sectional area of the solid nozzle; particularly preferably, the connecting elements do not extend horizontally into the solid nozzle. The connecting elements preferably consist of the same material as the electrodes.
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).By "cross-section of the connector" in this application is understood the sectional surface between the connector and any horizontal plane with the smallest area that intersects the connector (see Fig. 1b).
В настоящей заявке под «поперечным сечением электрода» понимают поверхность сечения между электродом и токопроводящим соединительным элементом, контактирующим с электродом (см. Фиг. 1с).In the present application, "electrode cross-section" means the cross-sectional area between the electrode and the conductive connector in contact with the electrode (see Fig. 1c).
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).By "cross-section of the upper or lower section of the device" in this application is understood the sectional surface between the upper or lower section of the device and any horizontal plane with the smallest area that intersects these sections (similar to the connecting element in Fig. 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).By "electrically insulated" in this application is meant an ohmic resistance of more than 1 kΩ, preferably more than 100 kΩ, in particular more than 1 MΩ, between the solid packing and the side wall of the middle section of the reactor, and between the upper and lower sections of the reactor, for example cap, and the side wall of the middle section of the reactor, measured in accordance with DIN VDE 0100-600: 2017-06 (issue date 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).Under the "side wall of the reactor" in the present application is understood to be essentially a vertically directed section of the reactor vessel (1). Along the side wall, the horizontal sections through the reactor are of substantially the same area (the cross-sectional area of the solid packing).
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.The ratio of the cross-sectional area of the upper and/or lower electrode, preferably the upper and lower electrode, to the cross-sectional area of the respective conductive connecting element is preferably 0.1 to 10, preferably 0.3 to 3, in particular 0.5 to 2 Preferably, the cross-sectional area of the electrode (for example, the cross-sectional area of all electrode bridges of the electrode in the form of a grid) is in the range from 0.1 cm 2 to 10,000 cm 2 , preferably from 1 cm 2 to 5000 cm 2 , in particular from 10 cm 2 up to 1000 cm 2 . Preferably, the cross-sectional area of one or more conductive connecting elements is in the range from 0.1 cm 2 to 10000 cm 2 , preferably from 1 cm 2 to 5000 cm 2 , in particular from 10 cm 2 to 1000 cm 2 . The calculation of the ratio ( electrode cross-sectional area (upper / connector (upper) cross-sectional area) or respectively ( electrode (lower ) cross-sectional area/ connector (lower) cross-sectional area) is illustrated in Figures 22 and 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.Without the use of a connecting element (between the electrode and the upper or lower sections of the device, respectively), the ratio of the cross-sectional area of the upper and/or lower electrode, preferably the upper and lower electrodes, to the cross-sectional area of the corresponding conductive section of the device is preferably from 0.1 to 10, preferably from 0.3 to 3, in particular from 0.5 to 2. Preferably, the cross-sectional area of the electrode is in the range from 0.1 cm 2 to 10000 cm 2 , preferably from 1 cm 2 to 5000 cm 2 , in particular from 10 cm 2 to 1000 cm 2 . Preferably, the cross-sectional area of the upper and/or lower section of the device is in the range from 0.1 cm 2 to 10000 cm 2 , preferably from 1 cm 2 to 5000 cm 2 , in particular from 10 cm 2 to 1000 cm 2 .
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.Preferably between the upper and lower sections of the device, for example between two reactor hoods, a potential difference (voltage) is set from 1 volt to 10000 volts, preferably from 10 volts to 5000 volts, particularly preferably from 50 volts to 1000 volts. The electric field strength between the domes is preferably between 1 V/m and 100000 V/m, preferably between 10 V/m and 10000 V/m, more preferably between 50 V/m and 5000 V/m, in particular between 100 V/m and 1000 V/m.
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.The electrical conductivity of the solid nozzle is preferably 0.001 S/cm to 100 S/cm, preferably 0.01 S/cm to 10 S/cm, in particular 0.05 S/cm to 5 S/cm.
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.The solid nozzle advantageously gives an electric current density from 0.01 A/cm 2 to 100 A/cm 2 , preferably from 0.05 A/cm 2 to 50 A/cm 2 , in particular from 0.1 A/cm 2 to 10 A / cm 2 .
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.The reactor is preferably divided into several zones. Preferably from bottom to top are: particle outlet, gas supply line (12), lower heat transfer zone, lower electrode (5), heating zone, upper electrode (4) with optional side outlet (19), upper heat transfer zone, gaseous product flow outlet (7) and particle flow feed line (6). The bottom heat transfer zone is the vertical section between the top edge of the gas line and the top edge of the bottom electrode. The upper heat transfer zone is the vertical portion between the lower end of the upper electrode and the upper end of the solid packing. The heating zone at each point of the cross section of the reactor is defined as the vertical section between the lower end of the upper electrode and the upper end of the lower electrode.
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.Advantageously, the bottom side of the top electrode and the top side of the bottom electrode are horizontal across the entire cross section of the reactor. Consequently, the length of the heating zone, in particular the distance between the electrodes, is advantageously the same over the entire cross section of the reactor. The heated reactor cross section is preferably 0.005 m 2 to 200 m 2 , preferably 0.05 m 2 to 100 m 2 , particularly preferably 0.2 m 2 to 50 m 2 , in particular 1 m 2 to 20 m 2 . The length of the heating zone is preferably between 0.1 and 100 m, preferably between 0.2 and 50 m, particularly preferably between 0.5 and 20 m, in particular between 1 and 10 m. The ratio of length to equivalent diameter of the heating zone is preferably from 0.01 to 100, preferably 0.05 to 20, particularly preferably 0.1 to 10, most preferably 0.2 to 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.The electrodes are preferably located inside the solid nozzle (see figures 1 and 2). The vertical distance between the top edge of the solid tip (the lowest point in the case of a bevel) and the bottom edge of the electrode plates or, without the use of electrode plates, the bottom edge of the electrode bridges on the top electrode is preferably 10 mm to 5000 mm, preferably 100 mm to 3000 mm, more preferably from 200 mm to 2000 mm. Preferably, said area is from 1 to 50%, preferably from 2 to 20%, particularly preferably from 5 to 30% of the total height of the solid nozzle.
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.The vertical distance between the top edge of the electrode plates on the bottom electrode and the gaseous feed inlet is preferably 10 mm to 5000 mm, preferably 100 mm to 3000 mm, more preferably 200 mm to 2000 mm. Preferably, said area is from 1 to 50%, preferably from 2 to 20%, particularly preferably from 5 to 30% of the total height of the solid nozzle.
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.The vertical distance between the particle flow feed line (6) and the top edge of the solid nozzle is preferably 50 mm to 5000 mm, preferably 100 mm to 3000 mm, particularly preferably 20 mm to 2000 mm.
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).The electrodes may be of any shape known to those skilled in the art. For example, the electrodes are made in the form of a grid (Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14) or in the form of rods (Fig. 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.When rods are used, pointed electrode rods are particularly preferred. The upper and lower electrode rods are preferably pointed on the side facing the heating zone. The tip can be conical (Fig. 16a) or wedge-shaped (Fig. 16b). Accordingly, the end of the rod can be in the form of a point or in the form of a line. In FIG. 17 shows a sketch of a reactor according to the invention, provided with rod-shaped electrodes. Figure 18 shows a detailed drawing of the top reactor hood. Unlike, for example, US Pat. No. 3,157,468 or US Pat. No. 7,288,503, rod electrodes are connected to the dome in an electrically conductive manner and are jointly supplied with electric current through the dome.
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.Preferably, the electrodes are in the form of a grid. For the lattice shape, various embodiments are possible, examples are cellular lattices of predominantly regular polygons (Fig. 12a), rectangular lattices (Fig. 12b) formed from parallel bridges, spoke lattices (Fig. 13) or lattices of concentric rings ( Fig. 14). Especially preferred are spoke-shaped gratings and gratings of concentric rings.
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.Particularly preferred is an electrode in the form of a grid, which is rigidly attached to the inside of the upper or respectively lower section of the device, such as a cap, or to a connecting element, such as an apron, attached to the device section.
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.Rigid fastening is understood as the connection of a rigid body with its environment, with the help of which relative movement between the body and its environment in all directions is not allowed.
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».For example, the spoke-shaped lattice is preferably formed from webs arranged in the form of a star, which are suspended from the cap or a connecting element fixed to it (Fig. 13a). In addition to the term "bridge", the prior art also uses the terms "spoke", "support", or "tire".
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».In another embodiment, the spoked array is preferably formed from webs arranged in a star shape, which are suspended from the cap and carry electrode plates protruding perpendicular to them (FIG. 13b). In addition to the term "electrode plate", the prior art also uses the terms "wing", "rib", "side bar" or "side bar".
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».In another embodiment, the lattice is preferably formed from concentric rings which are connected by radial bridges (FIGS. 14a, 14b). As defined in DE 69917761 T2 [0004], said lattice shape is "fractally scalable".
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.Electrodes, i.e. electrode jumpers and electrode plates divide the cross section of the reaction section into grid cells. The reaction site is a volume inside the reactor filled with a solid packing. The grid cells are closed or convex segments of the cross-sectional surface of the reactor, limited by the electrode grid. As an example, closed surface features are shown in FIG. 12a; they are formed by a cellular lattice (46) inside the cap (10) or (16). In FIG. 12b the meshes are, for example, strips between two adjacent webs (46) and the corresponding arcuate sections of the cap. In FIG. 12-14, said surfaces represent individual grid cells that are surrounded by continuous or dashed lines. As an example, in FIG. 13a, the cells are delimited by adjacent lattice spokes (4, 5) and, if necessary, by dotted circular lines or a cap (10, 16). As an example, in FIG. 13b, cells are delineated by adjacent bridge electrode plates, the corresponding bridge segment, and a dotted center line between two adjacent arrays. As an example, the cells in Fig. 14a and 14b are closed surface elements that are delimited by adjacent webs and rings, or respectively by the reactor hood.
Ячейки решетки характеризуются следующими параметрами: открытое поперечное сечение, эквивалентный диаметр, отклонение от окружности и перекрытие поперечного сечения.The lattice cells are characterized by the following parameters: open cross section, equivalent diameter, deviation from circumference and cross section overlap.
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).The term "open cross-section" in the present invention refers to the cross-sectional area of the cell through which flow can flow. The term "equivalent diameter" in the present invention means the diameter of a circle with the same area as the lattice cell. The term "circumference" in the present invention means the minimum width of the ring between two circles with a common center, which completely surrounds the edge lines of the lattice cell. The deviation from the circle has the dimension of length. The deviation from the circumference of the circle is zero. The term "overlapping of the cross section" in the present invention refers to the proportion of the cross section of the solid nozzle, which is covered by the electrode, in terms of the total cross-sectional area of the solid nozzle (reaction zone).
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.The open cross-section of the grid cells is preferably 4 cm 2 to 10000 cm 2 , preferably 20 cm 2 to 3000 cm 2 , particularly preferably 100 cm 2 to 1000 cm 2 . Thus, the open cross section is independent of the reactor diameter, and the number of grid cells is approximately proportional to the reactor cross section.
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.The equivalent grid mesh diameter is preferably between 10 mm and 2000 mm, preferably between 20 mm and 1000 mm, particularly preferably between 50 mm and 500 mm.
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.The grid cell circumference is preferably between 1 cm and 10 m, preferably between 1 cm and 2 m, particularly preferably between 1 cm and 1 m, in particular between 1 cm and 50 cm. to the equivalent lattice cell diameter. Preferably, the relative circumferential deviation is greater than or equal to 0 and less than 100, preferably greater than or equal to 0 and less than 10, in particular greater than or equal to 0 and less than 5. As an example, the deviation from the circumference of the individual grid cells is shown in the sketches in FIG. 12a, 12b and 13a.
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%.The overlap of the cross section of the electrodes is preferably between 1% and 50%, preferably between 1% and 40%, particularly preferably between 1% and 30%, in particular between 1% and 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.The specific surface area of electrodes in the form of a lattice, i.e. the ratio of the circumference of the electrode (i.e. the length of the line of contact between the electrode and the bulk layer in the vertical projection of the reactor) and the cross section of the bulk layer is preferably from 0.01 to 500 m 2 /m 3 preferably from 0.1 to 100 m 2 /m 3 , more preferably from 1 to 50 m 2 /m 3 , in particular from 2 to 20 m 2 /m 3 .
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).The material of the electrodes, i.e. bridges and electrode plates, is preferably iron, cast iron or steel alloy, copper or copper-based alloy, nickel or nickel-based alloy, refractory metal or refractory metal-based alloy and/or electrically conductive ceramic. In particular, the lintels consist of a steel alloy, e.g. material no. material number 2.4816, 2.4642, titanium, in particular alloys with material numbers 3.7025, 3.7035, 3.7164, 3.7165, 3.7194, 3.7235. Among the refractory metals, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W or their alloys are particularly preferred; preferably Mo, W and/or Nb or their alloys, in particular molybdenum and tungsten or their alloys. In addition, the bridges may contain ceramics, such as silicon carbide and/or carbon, such as graphite, while the ceramics may be a monolithic or fiber-reinforced composite material (for example, a Ceramic Matrix Compound, CMC, or, for example, carbon fiber composite, English 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.The material of the electrodes is preferably selected depending on the operating temperature. The steel is preferably chosen for a temperature range of -50 to 1250°C, preferably -50 to 1000°C, more preferably -50 to 750°C, in particular -50 to 500°C. Molybdenum is preferably chosen for the temperature range from -50 to 1800°C, preferably from -50 to 1400°C, in particular from -50 to 1300°C. The carbon fiber-reinforced carbon is preferably chosen for the temperature range -50 to 2000°C, preferably -50 to 1600°C, in particular -50 to 1300°C.
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.In the case of special applications, the electrodes may also consist of several materials. In the case of using several materials, the electrode is mainly divided along the height into sections of different materials. The choice of material for different zones is mainly based on the following criteria: thermal resistance, electrical conductivity, cost. Segments made of different materials are preferably connected to each other in a force-locked manner or in a permanent manner. Preferably, the connections between the segments are smooth.
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.The electrodes can advantageously be made in the form of solid electrodes or in the form of hollow electrodes. In the case of solid electrodes, depending on the design, the electrode rods, electrode bridges and/or electrode plates are a solid body. In the case of hollow electrodes, depending on the design, the electrode rods, electrode bridges and/or electrode plates are a hollow body. The cavities within the electrodes may advantageously form channels which can be used to introduce gas streams into the reaction zone or to withdraw gas streams from the reaction zone. The walls of the hollow electrodes are advantageously made of slotted metal sheets, perforated metal sheets, seamless metal grids or mesh materials.
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.Spoke-shaped grid electrodes according to figures 13a and 13b: The spoke-shaped grid preferably has electrode bridges, preferably 2 to 30 electrode bridges, preferably 3 to 24 electrode bridges, in particular 4 to 18 electrode bridges. Preferably, from 1 to 100 electrode plates are fixed to each of these electrode bridges, preferably from 2 to 50, in particular from 4 to 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.The length of the webs is preferably between 1 cm and 1000 cm, preferably between 10 cm and 500 cm, in particular between 30 cm and 300 cm. The height of the webs is preferably between 1 cm and 200 cm, preferably between 5 cm and 100 cm, in particular between 10 cm and 50 cm. The thickness of the webs (at its thickest point) is preferably between 0.1 mm and 200 mm, preferably between 1 mm and 100 mm.
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).The side profile of the bridges and electrode plates is preferably rectangular, trapezoidal or triangular (FIG. 9, FIG. 10), with other geometries, such as rounded ones, being also acceptable. Advantageously, the lower edges of the bridges and plates in the top electrode and the top edges of the bridges and plates in the bottom electrode are horizontal (Fig. 9, Fig. 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.The cross section of the bridges and electrode plates is preferably lens, diamond or hexagonal (FIG. 11). While the upper and lower ends of the bridges are preferably pointed. The thickness of the bridge or electrode plate at the upper and lower end (point) is preferably between 0.001 mm and 10 mm, preferably between 0.001 mm and 5 mm, in particular between 0.001 mm and 1 mm.
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.The profile of the jumpers and electrode plates is preferably straight, sawtooth or undulating in plan view. The undulating profiles preferably have a sinusoidal or rectangular shape (FIG. 7). In the case of sawtooth and wavy profiles, the width of the tooth or wave is preferably 1 cm to 200 cm, preferably 1 cm to 100 cm, more preferably 1 cm to 50 cm, the height of the tooth or wave is preferably 1 mm to 200 mm, preferably 1 mm to 100 mm, more preferably 1 mm to 50 mm.
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.The optional electrode plates are connected to the bridges and are oriented on the reactor plan predominantly perpendicular to the bridges. Preferably, the electrode plates are connected to a bridge either centrally or at one end of the electrode plates. The contact surface between the electrode plate and the bridge advantageously forms a separate rigid attachment for positioning the electrode plate. Accordingly, both ends or one end are free, i.e. it does not have a hard connection with other electrode plates or other jumpers. As a result, the electrode plates can be deformed without causing stress due to thermal expansion.
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.The distance between adjacent electrode plates on the web is preferably 1 to 2000 mm, preferably 5 to 1000 mm, in particular 10 to 500 mm.
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.In the case of curved/non-planar electrode plates, the length refers to the circumferential length. The length of the electrode plates preferably decreases linearly along the radius from the outer electrode ring towards the center of the reactor. The length of each plate on the bridge is predominantly proportional to its distance from the center of the reactor cross section; in this case, the length of the electrode plates is understood to be the length of the outermost electrode plate. The length of the electrode plates is preferably 1 cm to 1000 cm, preferably 2 cm to 500 cm, more preferably 5 cm to 200 cm, in particular 10 cm to 100 cm. The height of the electrode plates is preferably 1 cm to 200 cm, preferably 2 cm to 100 cm, more preferably 5 cm to 50 cm, in particular 10 cm to 50 cm. The thickness of the individual electrode plates on the web is constant. The thickness of the electrode plates (at the thickest point), the grating strength, is preferably 0.1 mm to 100 mm, preferably 1 mm to 50 mm. The height to thickness ratio of the electrode plates is preferably 1 to 500, preferably 2 to 250, more preferably 5 to 100, in particular 10 to 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.In the case of spoke-like arrays, the electrode bridges inside the reactor preferably diverge in the form of a star. The individual electrode bridges are preferably not connected to each other. Preferably, the electrode bridges at their outer end are connected to the reactor hood or to a connecting element on the reactor hood, for example an apron. The other end of the electrode jumpers is predominantly free, i.e. it does not have a hard connection with other electrode bridges. Preferably, the contact surface between the electrode bridge and the upper or lower section of the device, for example a cap, or respectively a connecting element, for example an apron, forms a separate rigid attachment, the so-called rigid attachment, for positioning the electrode bridge. Accordingly, the other end of the electrode bridge is free, so that the electrode bridge can be deformed without causing stress due to thermal expansion.
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.The upper and lower edges of the jumpers and electrode plates are predominantly offset relative to each other. By offsetting the edges of the webs and plates, nodal points are avoided, which could otherwise lead to stagnation of the bulk layer. In FIG. 15 shows examples of preferred bottom electrode options. In each case, a lattice segment is shown, in which one individual bridge is placed. In the embodiment according to FIG. 15a, the upper edge of the electrode plates is located above the upper edge of the jumper. In the embodiment according to FIG. 15b, the top edge of the electrode plates is located below the top edge of the jumper. The offset between the top edge of the electrode plates and the top edge of the bridges is preferably -500 mm to 500 mm, preferably -200 mm to 200 mm, particularly preferably -100 mm to 100 mm. Negative values mean that the top edge of the electrode plates is below the top edge of the jumpers. The offset between the bottom edge of the electrode plates and the bottom edge of the bridges is preferably -500 mm to 500 mm, preferably -200 mm to 200 mm, particularly preferably -100 mm to 100 mm. Negative values mean that the top edge of the electrode plates is below the top edge of the jumpers.
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.Fractally scaled array electrodes according to Figures 14a and 14b: The array of concentric rings (fractally scaled electrode) advantageously has electrode bridges that diverge in an approximately star shape and electrode plates that are formed as segments in the shape of a circular arc. The upper and lower edges of the jumpers and electrode plates are predominantly offset in height relative to each other. Bridges on both sides are connected to the electrode plates, the electrode plates being continuous within a circular segment, such as the 1/4 circle in FIG. 14a and 1/6 of the circle in Fig. 14b. The number of jumpers increases from the center to the outside. The jumpers of the outer ring are attached to the reactor cap. The number and location of the bars follows the following rules: The core of the lattice has a diameter of 2*s, has no bars, and is considered
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.In the case of fractally scalable gratings, the electrode bridges inside the reactor predominantly diverge in the shape of a star. Adjacent circular arc-shaped electrode plates are preferably not connected to each other partially or in segments. Thus, the lattice is preferably divided into segments, preferably 2 to 30 segments, preferably 2 to 20 segments. Advantageously, the outer electrode bridges are connected at their outer end to the reactor hood or to a connecting element on the reactor hood, for example a baffle. Preferably, the contact surface between the electrode bridges and the upper or lower section of the device, for example a cap, or respectively a connecting element, for example an apron, forms a separate rigid attachment, the so-called rigid attachment, for positioning the grid segments. Thus, the lattice segment can be deformed without stress, i.e. without touching neighboring lattice segments, as a result of thermal expansion.
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.The upper and lower sections of the reactor vessel preferably form in each case the contacts for the upper and lower electrodes. The electrodes are preferably in contact through the end sections of the reactor vessel, also referred to as reactor caps (see FIGS. 4 and 5). The reactor caps preferably have one or more electrical connections, (8) and (17), preferably one to three connections, on the outside.
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.If necessary, the reactor caps may have connecting elements, such as an apron (10), (16), which protrudes into the central section of the reactor; and the term "apron" means the extension of the cap on the inside of the sealing surface to the side wall (11), (18). Preferably, the electrodes are connected to the cap apron. The contact between the reactor cap and the electrode can be made by a permanent connection of materials, such as welding or soldering, by means of a force-locking connection, such as twisting or clamping, or a form-fitting connection, for example, by means of a gear, a groove and a tenon, or a stud and a bolt. The preferred type of connection is determined by the material of the electrode bridges.
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.The metal electrode bridges are preferably welded or soldered to the cap. The non-metallic electrode bridges are preferably connected to the hood by a combined form-fitting and force-locking connection or a permanent connection of materials, for example a tongue-and-groove connection in combination with a screw connection, a rivet connection or an adhesive connection. In the case of star-shaped gratings and fractally scalable gratings, the electrode bridges are advantageously connected at their outer end to the reactor hood or to the apron of the reactor hood.
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.The contact surface between the electrode and the upper or lower section of the device, the reactor hood or the connecting element in contact with the hood, for example an apron, is preferably between 0.1 cm 2 and 10,000 cm 2 , preferably between 1 cm 2 and 5000 cm 2 , in particular between 10 cm 2 and 1000 cm 2 . When using a connecting element, such as an apron, the contact surface between the reactor hood and the connecting element in contact with the hood is preferably between 0.05 cm 2 and 200,000 cm 2 , preferably between 0.5 cm 2 and 50,000 cm 2 , in particular between 50 cm 2 and 10000 cm 2 .
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.Advantageously, the temperature on the contact surface between the top section of the device and the connecting element is preferably less than 600°C, preferably less than 450°C, particularly preferably less than 150°C, preferably in the range from 0 to 600°C, preferably from 10 to 450°C.
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%).The ratio of the cross-sectional area of the connecting element, for example an apron, to the cross-sectional area of the solid nozzle is preferably 0.001 to 0.2 (0.1 to 20%), preferably 0.002 to 0.1 (0.2 to 10%) , particularly preferably from 0.5 to 5%. The ratio of the cross-sectional area of the conductive cap to the cross-sectional area of the solid nozzle is preferably 0.001 to 0.2 (0.1 to 20%), preferably 0.002 to 0.1 (0.2 to 10%), particularly preferably 0.002 to 0.1 (0.2 to 10%). 0.005 to 0.05 (0.5 to 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.In the cap-electrode unit, preferably less than 5%, preferably less than 2%, particularly preferably less than 1%, in particular less than 0.1% of the total input electrical energy is dissipated. Preferably, the dissipated energy range is 0 to 5%, preferably 0 to 2%, in particular 0 to 1%. As a result, almost all electrical energy can be used to heat the nozzle between the electrodes. By "dissipated energy" is meant electrical energy converted into thermal energy as a result of the ohmic resistance of the line. Low energy dissipation is achieved due to the low ohmic resistance of the cap-electrode structural unit. The ohmic resistance between any two points of the cap-electrode structural unit is preferably from 10 -12 Ω to 10 -13 Ω, preferably from 10 -12 Ω to 10 -5 Ω, in particular from 10 -12 Ω to 10 -7 Ω. The specified ohmic resistance of the structural unit caps-electrodes is achieved by choosing the material and dimensions of the structural unit caps-electrodes. For the methane pyrolysis reaction system, specific dimensions are described in the example.
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.The pressure-resistant reactor jacket advantageously consists of an upper reactor section (1), a middle reactor section (2) and a lower reactor section (3). The preferred materials for the reactor jacket are steel alloys, for example with material number 1.4541, 1.4571. The preferred conductivity of the upper and/or lower sections of the device is preferably between 10 5 S/m and 10 8 S/m, preferably between 0.5 x 10 6 S/m and 0.5 x 10 8 S/m. The specific ohmic resistance of the reactor outer pressure jacket is preferably between 10 -8 Ωm and 10 -5 Ωm, preferably between 2×10 -7 Ωm and 2×10 -6 Ωm.
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).By way of example, the top and bottom sections of the reactor comprise an end end of the reactor vessel. The upper section of the reactor is preferably made in the form of a cap. The lower section of the reactor is also preferably made in the form of a hood, in particular in the form of a conical hood (a hood with an outlet cone for solid granulate).
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.The upper section of the reactor, preferably the reactor hood, preferably has the following connections (see Fig. 4): power supply (8), solids feed line (6) and, if necessary, a distributor (9) (for example, in the form of a cone distributor), one or more outlets for the product flow (7), preferably for the gaseous product flow, inputs for sensors, for example, for temperature measurement, filling level measurement, concentration measurement, pressure measurement.
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.The lower section of the reactor, preferably a conical reactor hood, has the following connections (see Fig. 5): outlet cone for the product stream (14), preferably for the solid product stream, power supply for the lower electrode (17), at least one inlet for feed streams, (12) preferably for gaseous feed streams, sensor inputs, eg for temperature measurement, concentration measurement, pressure measurement.
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.The feed stream or, if necessary, several feed streams are preferably introduced through an annular distributor (13) or through several inlets distributed around the circumference on the lower reactor hood. By means of a plate distributor (12) connected thereto, the flow of the starting material can be evenly distributed over the cross section at the feed level. In plan view, the distributor plate, which is optionally present, advantageously has the same shape as the electrodes and is therefore in the same vertical position as the electrodes. Alternatively, the distributor consists of individual elements, each of which is preferably mounted below the electrode elements.
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.The middle section of the reactor is preferably cylindrical or prismatic (see Fig. 3). Said area is preferably lined with an electrically insulating lining (21) resistant to temperatures up to about 2000°C, preferably up to about 1700°C, preferably up to about 1400°C, preferably up to about 1200°C. This section defines the length of the heating zone. The length of the middle section of the reactor is preferably between 0.25 and 100 m, preferably between 0.5 and 50 m, particularly preferably between 0.75 and 20 m, in particular between 1 and 10 m.
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.The vertical distance between the top edge of the reactor middle section and the top edge of the solid packing is preferably -2000 mm to 2000 mm, preferably -1000 mm to 1000 mm, particularly preferably -500 mm to 500 mm. Negative values mean that the top edge of the reactor middle section is below the top edge of the solid packing. The vertical distance between the top edge of the middle section of the reactor and the bottom edge of the electrode plates on the top electrode is preferably 10 mm to 5000 mm, preferably 100 mm to 3000 mm, more preferably 200 mm to 2000 mm. The vertical distance between the upper edge of the electrode plates on the lower electrode and the inlet of the gaseous raw materials is preferably 10 mm to 5000 mm, preferably 100 mm to 3000 mm, more preferably 200 mm to 2000 mm.
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.The electrical insulation performs the following functions: (i) isolate the caps from the side wall of the reactor, i.e. the middle section of the reactor shell, and (ii) isolate the bulk bed from the side wall of the reactor.
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)).Typically, refractory bricks are used for electrically insulating lining, which predominantly contain alumina, zirconium oxide and mixed oxides of aluminium, magnesium, chromium and silicon (see, for example, Patrick Gehre's dissertation: Korrosions-und thermoschockbestandige Feuerfestmaterialien fur Flugstromvergasungsanlagen auf Al 2 O 3 -Basis -Werkstoffenwicklung und Korrosionsuntersuchungen (Corrosion and thermal shock resistant refractory materials for entrained flow gasification plants based on Al 2 O 3 - material development and corrosion studies.) (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.The middle section of the reactor is preferably electrically isolated from the two caps. For example, in each case, an intermediate ring of electrically insulating material (23) and (25) is used, which is preferably gastightly clamped between the middle section of the reactor and the upper reactor cap (11) or, respectively, the lower reactor cap (18). The intermediate ring is preferably made of enamelled or plastic-coated metal, plastic, such as PTFE or PEEK, or gas-tight ceramic. Alternatively, sealing rings made of an electrically insulating material, such as mica, can be clamped directly between the flanges of the middle section of the reactor and the reactor caps. The thickness of the intermediate ring is preferably 2 mm to 500 mm, more preferably 3 mm to 200 mm, particularly preferably 5 mm to 100 mm.
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).Preferably, the upper and/or lower section of the device, for example the upper cap, is made of two-shell (see figure 6). The outer shell of the cap (41) preferably surrounds the cap (3 or 31) described above, which is preferably an inner shell. The inner sheath is preferably an electrically conductive connecting element. The outer sheath is preferably electrically isolated from the inner sheath. The outer shell is preferably connected to the middle section (1) of the reactor via a flange (22 or 42). A seal is preferably used between flanges (42) and (22). The seal is preferably a flat seal, a lenticular seal, an O-ring seal, or a welded lip seal. In addition, the outer shell (41) advantageously contains entries (43) for connections (6), (7), (8) that lead to the inner shell of the cap. The inlets are preferably removable, so that the outer shell can be individually flanged onto or off the reactor (see FIGS. 19 and 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.A preferred embodiment of double-shell cap entries is known to those skilled in the art and is described, for example, in US Pat. No. 7,842,846 B2. In the present invention, the bushing is preferably configured to provide additional electrical insulation between the inner and outer shell. In FIG. 19 shows, as an example, an inlet for a particle flow feed line (6) to the reactor. The flow of solid particles mainly passes through the inlet pipe (58), which is provided with a flange (52). The inlet pipe is preferably made of a metallic material, preferably a metallic pipe, which is coated with an electrically insulating layer, such as enamel. In this case, the inlet preferably contains two concentric cylindrical necks, of which the outer (51) is attached to the outer shell, and the inner (54) is attached to the inner shell of the cap. The inner neck advantageously has a compensator which makes the inner neck flexible in the longitudinal direction. Preferably, the inner neck terminates in a threaded hole plate whose outer circumference is smaller than that of the outer neck. The outer neck advantageously terminates in the flange of the device. The inner and outer flanges are preferably gastightly bonded through an intermediate ring (53). The inner neck and the outer neck are preferably electrically isolated from each other. To do this, an intermediate ring made of metal with flat seals (55) made of an electrically insulating material, such as mica or plastic, is preferably clamped between the inlet pipe flange on one side and the outer neck flange and the inner neck threaded plate on the other side. Sleeves made of an electrically insulating material (57), such as plastic or oxide ceramic, are preferably used between the fixing screws and the intermediate ring.
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.Alternatively, the intermediate ring may be composed of an electrically insulating material such as plastic, PEEK, or densely sintered oxide ceramic. As an alternative, the intermediate metal ring can be covered with an electrically insulating material, such as enamel or plastic. Preferably, the intermediate ring seal at the outer neck is a flat seal, a lenticular seal, an O-ring seal, or a welded lip seal.
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.In FIG. 20 shows as an example the entry of a power supply line which leads to the inner shell of the hood. The input contains a pin (63), which is soldered or pressed to the outer side of the inner shell (2). The pin is connected to the connector (64), which is connected to the power supply, using a screw or clamp connection. The connector has a collar at the lower end. The pin fits freely into a ceramic sleeve (65) made of electrically insulating material. The sleeve is preferably made of oxide ceramic. Preferably, the sleeve is made of metal and covered with a layer of enamel. The ceramic sleeve, in turn, enters the socket (61). The specified socket is welded to the outer shell of the cap (27). The socket preferably comprises an expansion joint and a welded flange. The socket (61), the insulating sleeve (65) and the connector (64) are fixed with a loose flange (62). Between the socket (61) and the sleeve (65), as well as between the sleeve (65) and the connector (64), flat seals (66) are inserted. Flat seals are predominantly composed of mica. Alternatively, the seals may be in the form of O-ring seals. Sleeves made of electrically insulating material (67), such as plastic or oxide ceramics, are preferably used between the fixing screws and the outer socket flange.
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.Preferably, the outer shell of the cap according to FIG. 6 and 7 contains connections for supply (44) and output (45) of an inert gas flow, which contains, for example, nitrogen, argon, carbon dioxide and/or water vapor. By means of an inert gas, the space of the jacket between the inner and outer shell of the cap is blown. Advantageously, the pressure in the jacket space is set slightly higher than the pressure in the immediately adjacent part of the reaction zone. The pressure difference between the jacket space and the immediately adjacent part of the reaction zone is preferably 1 mbar to 500 mbar, preferably 1 mbar to 100 mbar, particularly preferably 1 mbar to 50 mbar. Adjustment of this difference is known to a person skilled in the art, for example, described in international application WO 2013017609 A1.
Размеры реактора зависят от реакционной системы и желаемой производительности. Для реакционной системы пиролиза метана конкретные размеры описаны в примере.The dimensions of the reactor depend on the reaction system and the desired throughput. For the methane pyrolysis reaction system, specific dimensions are described in the example.
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.The packed reactor according to the invention advantageously contains a random bulk layer of solid particles of electrically conductive material. The bulk layer can be homogeneous or structured in height. The homogeneous bulk bed can advantageously form a fixed bed, a moving bed or a fluidized bed, in particular a moving bed. The height-structured layer preferably forms a fixed bed at the bottom and a fluidized bed at the top. Alternatively, the height-structured bed preferably forms a moving bed at the bottom and a fluidized bed at the top. Alternatively, the solid packing preferably comprises structured embedded elements of electrically conductive material, such as honeycomb monoliths, crossed plates such as Sulzer Mellapack packings, static mixers such as Sulzer SMX mixers, or loose particles. The structured embedded elements preferably comprise metal, silicon carbide or carbon and form through electrically conductive paths between the electrodes. If necessary, the hollow volume of the structured built-in elements is completely or partially filled with solid particles. The solid particles advantageously form a fixed bed, a moving bed, a fluidized bed, or a jet bed. The particles may advantageously consist of electrically conductive and/or electrically insulating materials.
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.As heat-resistant, electrically conductive structured packings, built-in elements made of metal and/or electrically conductive ceramics, such as silicon carbide, carbon and composite materials containing these substances, are suitable.
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.By "heat integration" in this application is meant countercurrent heat exchange between hot and cold material flow in a process whereby sensible heat from the hot material flow is used to heat the cold material flow. As a result, a change in temperature is achieved in the involved material flows without the transfer of heat flows through the process boundaries.
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.The reactor according to the invention offers advantageous characteristics for realizing thermal integration mode of operation for endothermic high temperature processes. These characteristics include, in particular, (i) counterflow between the solids stream and the gas stream, and (ii) adjusting the position of the heating zone within the reaction zone, resulting in a heat transfer zone at the upper end for heat exchange between the hot gaseous product and the cold solids stream. particles, and at the lower end a heat transfer zone for heat exchange between the solid product stream and the cold gas supply stream.
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).The efficiency of heat integration is achieved by minimizing the resistance to heat transfer between the gas and the solid packing due to the favorable ratio of heat capacity flows of gaseous and solid reaction media in the heat transfer zones. An indicator of the effectiveness of thermal integration is the degree of influence of thermal integration: η=(temperature of the reaction zone - temperature of the gas at the outlet of the main stream) / (temperature of the reaction zone - temperature of the solids at the inlet).
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%.The degree of influence of heat integration is preferably more than 60%, preferably more than 65%, even more preferably more than 70%, even more preferably more than 80%, even more preferably more than 90%, in particular more than 95%. The degree of influence of heat integration preferably lies in the range from 60 to 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.The length of the heat transfer unit is mainly determined by the following parameters: (i) the properties of the particles of the bulk layer, such as particle size, thermal conductivity, emissivity, (ii) the properties of the gas phase, such as conductivity, and (iii) the operating conditions, such as pressure, temperature , throughput.
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.Thermal resistance during heat exchange between gas and solid packing in heat transfer zones preferably has a length of transfer unit or Height-of-Transfer Units (HTU) of 0.01 to 5 m, preferably 0.02 to 3 m, particularly preferably 0. 05 to 2 m, in particular 0.1 to 1 m. The definition of HTU can be found at
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.The heat capacity flow is the product of the mass flow and the specific heat of the material flow. The heat capacity flow ratio between the gaseous process stream and the solid process stream is preferably 0.5 to 2, preferably 0.75 to 1.5, particularly preferably 0.85 to 1.2, in particular 0.9 to 1, one. The ratio of heat capacity flows is set via the supply flows and, if necessary, via the lateral supply or lateral discharge of the partial flows.
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.At the upper end of the reaction zone, in particular at the upper edge of the solid packing, the temperature difference between the outlet temperature of the gaseous product stream and the solids feed stream is preferably 0 K to 500 K, preferably 0 K to 300 K, more preferably 0 K up to 200 K, in particular from 0 K to 100 K.
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.At the lower end of the reaction zone, in particular at the point where the solid product stream exits the reactor, the temperature difference between the outlet temperature of the solid product stream and the gaseous feed stream is advantageously between 0 K and 500 K, preferably between 0 K and 300 K, more preferably from 0 K to 200 K, in particular from 0 K to 100 K.
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.The middle section of the reactor preferably has a lateral gas outlet connection. The lateral outlet is advantageously an opening between the moving bed and a gas-permeable region isolated from the moving bed in the reactor, which is connected to a separate opening in the reactor vessel. The side outlet to the reaction zone may preferably be through or divided into segments by means of rigid channels (19). Preferably the rigid channels (19) are integrated into the electrode bridges. The channels can be combined into an annular manifold (20). Through said side outlet, part of the reaction gas can advantageously be withdrawn from the reaction zone.
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.The side outlet is preferably a height-limited area at the upper end of the heating zone. Particularly preferably, the side arm is positioned in relation to the position of the top electrode as follows: The position of the lower end of the side arm in relation to the lower end of the upper electrode is preferably -2000 to 2000 mm, preferably -1000 to 1000 mm, more preferably 500 to 500 mm , in particular from -500 to 0 mm. Negative values mean that the bottom end of the side arm is below the bottom end of the top electrode. The position of the upper end of the side arm relative to the lower end of the upper electrode is preferably -2000 to 3000 mm, preferably -1000 to 2000 mm, more preferably 500 to 1000 mm, in particular 0 to 1000 mm. Negative values mean that the top end of the side arm is below the bottom end of the top electrode. The position of the upper end of the side arm with respect to the upper end of the middle reaction zone is preferably -3000 to -100 mm, preferably -2000 to -100 mm, more preferably -1000 to -100 mm, in particular -500 to -100 mm. Negative values mean that the top end of the side arm is below the top end of the middle reaction zone.
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%.The proportion of the total volumetric flow which passes through the side outlet is preferably 0 to 100%, preferably 0 to 80%, more preferably 0 to 60%, in particular 0 to 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.By means of a side outlet, the heat capacity flow of the gas stream in the upper heat transfer zone is reduced and adapted to the heat capacity flow of the heated solids flow in the moving bed, which flows countercurrently. The side tap influences the position of the upper heat transfer zone, i.e. location of the point with the largest negative temperature gradient in absolute value in the moving layer. The position of the upper heat transfer zone is preferably 10 to 3000 mm, preferably 100 to 2500 mm, more preferably 200 to 2000 mm, in particular 300 to 2000 mm below the upper end of the moving bed.
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).Another advantage of the side outlet is that the outlet stream temperature is close to the maximum temperature. Due to the high temperature, said stream can be effectively used in various ways. The gas stream from the side outlet can, for example, be used as the reaction gas in the subsequent reaction step (referring to the combination of pyrolysis and the reverse water gas shift reaction).
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.Another advantage of the side arm is that the electrodes are located above the heating zone in the colder temperature range. Therefore, despite very high temperatures in the heating zone, it is possible to select materials for electrodes that can only be used in the colder temperature range.
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.The carrier materials of the product formation layer are advantageously heat resistant in the range of 500 to 2000°C, preferably 1000 to 1800°C, more preferably 1300 to 1800°C, particularly preferably 1500 to 1800°C, in particular 1600 to 1800° FROM.
Материалы-носители слоя образования продукта преимущественно обладают электропроводностью в диапазоне между 10 См/см и 105 См/см.The carrier materials of the product formation layer advantageously have an electrical conductivity in the range between 10 S/cm and 10 5 S/cm.
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.Suitable heat-resistant carrier materials, especially for methane pyrolysis, are predominantly carbon-containing materials, such as coke, silicon carbide and boron carbide. If necessary, the carriers may be coated with catalytically active materials. Said heat transfer materials may have a different expansion property than the carbon deposited thereon.
Частицы гранулята имеют правильную и/или неправильную геометрическую форму. Частицы правильной формы предпочтительно имеют сферическую или цилиндрическую форму.The granulate particles have regular and/or irregular geometric shapes. Regularly shaped particles are preferably spherical or cylindrical.
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.The granules advantageously have a grain size, i. e. equivalent diameter, which is determined by sieving through cells of a certain size, from 0.05 to 100 mm, preferably from 0.1 to 50 mm, more preferably from 0.2 to 10 mm, in particular from 0.5 to 5 mm.
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.In addition, it is advantageous to use a carbonaceous material, for example in the form of granules. In the present invention, carbon-containing granulate should be understood as a material that mainly consists of hard grains that contain at least 50 wt. -%, preferably at least 80 wt. -%, more preferably at least 90 wt. carbon, in particular at least 98% of the mass. carbon.
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.Many different carbonaceous granules can be used in the process according to the invention. For example, such a granulate may consist essentially of coal, coke, coke breeze and/or mixtures thereof. In addition, the carbon-containing granulate may contain from 0 to 15 wt. -%, based on the total weight of the granulate, preferably from 0 to 5 wt.%. metal, metal oxide and/or ceramic.
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.A preferred reactor design according to the invention is a fixed bed catalytic reactor with direct electrical heating. In FIG. 21 shows a sketch of a reactor according to the invention. The reactor is preferably divided into several zones. Predominantly from top to bottom are: gas supply line (73), upper electrode (4), heating zone, lower electrode (5), gaseous product flow outlet (74). The reactor is partially filled with a disordered or structured packing of an electrically conductive material. The nozzle rests on a catalyst support (72) which, in turn, is attached to a connecting element, such as an apron, attached to the lower reactor hood. The top and bottom electrodes (4) and (5) are advantageously located at the top and bottom end of the solid nozzle, respectively.
Термин «высокотемпературные процессы» включает, среди прочего, реакции пиролиза, реакции дегидрирования и реакции риформинга.The term "high temperature processes" includes, inter alia, pyrolysis reactions, dehydrogenation reactions and reforming reactions.
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.According to the invention, the endothermic high temperature process is preferably a process whose specific volumetric energy consumption in the heating zone is greater than 0.5 MW/m 3 , particularly preferably greater than 1 MW/m 3 , in particular greater than 2 MW/m 3 . For example, the energy consumption in the heating zone may be between 0.5 and 10 MW/m 3 .
В реакторе с подвижным слоем согласно изобретению предпочтительно проводят следующие высокотемпературные реакции:In the moving bed reactor according to the invention, the following high temperature reactions are preferably carried out:
• 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.• production of synthesis gas by reforming hydrocarbons with steam and/or carbon dioxide, coupled production of hydrogen and pyrolysis carbon by pyrolysis of hydrocarbons. Suitable carrier materials are, in particular, carbon-containing granules, silicon carbide-containing granules, nickel-containing metal granules.
• получение синильной кислоты из метана и аммиака или из пропана и аммиака. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углеродсодержащие гранулы.• production of hydrocyanic acid from methane and ammonia or from propane and ammonia. Suitable carrier materials are, in particular, carbonaceous granules.
• получение олефинов посредством крекинга углеводородов с водяным паром. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углеродсодержащие гранулы, содержащие карбид кремния гранулы.• production of olefins by cracking hydrocarbons with steam. Suitable carrier materials are, in particular, carbon-containing granules containing silicon carbide granules.
• сочетание метана в этилен, ацетилен и бензол.• combination of methane to ethylene, acetylene and benzene.
• 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.• production of olefins by catalytic dehydrogenation of alkanes, such as propylene from propane or butene from butane. Suitable carrier materials are, in particular, pellets containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• получение стирола посредством каталитического дегидрирования этилбензола. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, покрытые катализаторами дегидрирования гранулы, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.• production of styrene by catalytic dehydrogenation of ethylbenzene. Suitable carrier materials are, in particular, pellets containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• 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.• production of diolefins by catalytic dehydrogenation of alkanes or olefins, such as butadiene from butene or from butane. Suitable carrier materials are, in particular, pellets containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• 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.• aldehydes via the catalytic dehydrogenation of alcohols, eg anhydrous formaldehyde from methanol. Suitable carrier materials are, in particular, silver-containing granules or dehydrogenation catalyst-coated granules containing silicon carbide, or iron-containing shaped articles.
• получение СО посредством реакции Будуара из СО2 и углерода. Подходящими материалами-носителями являются, в частности, углерод-содержащие гранулы.• production of CO through the Boudouard reaction from CO 2 and carbon. Suitable carrier materials are, in particular, carbonaceous granules.
• 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.• production of hydrogen and oxygen by means of catalytic thermolysis of water on catalytic contacts. Suitable carrier materials are, in particular, silicon carbide-containing granules or iron-containing granules which are coated with a cracking catalyst, for example ferrite.
Для предпочтительных вариантов способа согласно изобретению диапазоны заданных значений максимальной температуры обобщенно представлены в виде таблицы:For preferred embodiments of the process according to the invention, the maximum temperature set point ranges are summarized in a table:
Температура верхнего электрода составляет преимущественно по меньшей мере 350°С, преимущественно в диапазоне от 350 до 1900°С.The temperature of the upper electrode is preferably at least 350°C, preferably in the range from 350 to 1900°C.
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.The contact of the electrodes through the flat end sections of the reactor vessel or a connecting element attached to it and, if necessary, the additional use of refractory metals as electrode material allows the introduction of an electric current into the reaction zone with low losses. Due to the large cross-sectional areas and high electrical conductivity of the reactor caps, as well as, if necessary, connecting elements, the electrical power dissipated in them is negligible. As a result of this connection, the inputs and connections in the specified area are maintained at a moderate temperature level without complex active cooling. Due to the coordinated cross-sectional dimensions of the electrodes and connecting elements, a uniform distribution of the electric current over the cross-section of the solid nozzle is achieved.
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.The contact of the electrodes around the circumference of the caps and, if necessary, in combination with the lattice geometry of the electrodes, allows a uniform introduction of electric current into the reaction zone. In addition, the lattice geometry of the electrodes makes it possible to structure the cross section of the reactor into small homogeneous regions. As a result, favorable conditions are created for rational scaling and adaptation of the reactor to the required production capacity.
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.By means of the vertical arrangement of the electrodes, a uniform heat release and a uniform transformation in the heated region of the reaction zone are ensured. A preferred embodiment of electrodes with bar electrode bridges and electrode plates attached thereto has high mechanical strength. Segmentation of the electrodes and one-sided fixation ensure unhindered thermal expansion of the electrodes.
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.The high degree of flexibility and profiling of the electrode bridges and electrode plates with pointed ends allow solid particles to move freely in the moving bed. As a result, uniform operating conditions are provided throughout the cross section of the reaction zone.
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.By placing the electrodes inside the packing, above and below the electrically heated area of the packing, two defined heat transfer zones are created in which internal heat transfer can be achieved. As a result, the reactor has the necessary conditions for complete heat integration.
Посредством размещения верхнего края твердотельной насадки внутри средней секции реактора высокотемпературная зона надежно ограничивается механически и термически устойчивой областью реактора.By placing the top edge of the solid packing inside the middle section of the reactor, the high temperature zone is securely limited to a mechanically and thermally stable region of the reactor.
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.Dividing the vessel into three sections simplifies assembly and disassembly of the reactor. As a result, it is possible to easily replace wear parts as well as to use prefabricated reactor sections for reactor assembly. As a result, the economic efficiency and the quality of the reactor manufacturing are improved.
Фигура 1:Figure 1:
На фиг. 1 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.In FIG. 1 shows a sketch of a moving bed reactor according to the invention with direct electrical heating.
a. Продольное сечение реактора.a. Longitudinal section of the reactor.
b. Поперечное сечение реактора на уровне верхнего электрода. На этой проекции видно поперечное сечение соединительного элемента 10.b. Cross section of the reactor at the level of the upper electrode. This projection shows the cross section of the connecting
c. Вид сбоку на развертку фартука верхнего электрода. На этой проекции видно поперечное сечение электрода 4.c. Side view of the development of the apron of the upper electrode. This projection shows the cross section of
Фигура 2:Figure 2:
На фиг. 2 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.In FIG. 2 shows a sketch of a moving bed reactor according to the invention with direct electrical heating.
Фигура 3:Figure 3:
На фиг. 3 показан детальный чертеж средней секции корпуса реактора. Фигура 4:In FIG. 3 shows a detailed drawing of the middle section of the reactor vessel. Figure 4:
На фиг. 4 показан детальный чертеж верхнего колпака реактора на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).In FIG. 4 shows a detailed drawing of the top reactor hood in side view (upper) and in top view (lower).
Фигура 5:Figure 5:
На фиг. 5 показан детальный чертеж нижнего колпака реактора на виде сбоку (нижний) и на виде снизу (верхний).In FIG. 5 shows a detailed drawing of the lower reactor hood in side view (lower) and in bottom view (upper).
Фигура 6:Figure 6:
На фиг. 6 показан вариант реактора согласно изобретению с двухоболочечным верхним колпаком реактора.In FIG. 6 shows a variant of the reactor according to the invention with a double-shell top reactor hood.
Фигура 7:Figure 7:
На фиг. 7 показан детальный рисунок верхнего колпака реактора на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).In FIG. 7 shows a detailed drawing of the top reactor hood in side view (upper) and in top view (lower).
Фигура 8:Figure 8:
На фиг. 8 показаны предпочтительные продольные профили электродных перемычек в верхнем электроде согласно изобретению. В каждом случае в нижнем электроде используются идентичные профили.In FIG. 8 shows the preferred longitudinal profiles of the electrode bridges in the top electrode according to the invention. In each case, identical profiles are used in the bottom electrode.
Фигура 9:Figure 9:
На фиг. 9 показаны предпочтительные боковые профили электродных перемычек в верхнем электроде согласно изобретению. Нижняя часть перемычки является горизонтальной.In FIG. 9 shows the preferred side profiles of the electrode bridges in the top electrode according to the invention. The bottom of the jumper is horizontal.
Фигура 10:Figure 10:
На фиг. 10 показаны предпочтительные боковые профили перемычек в нижнем электроде согласно изобретению. Верхняя часть перемычки является горизонтальной.In FIG. 10 shows the preferred side profiles of the jumpers in the bottom electrode according to the invention. The upper part of the jumper is horizontal.
Фигура 11:Figure 11:
На фиг. 11 показаны предпочтительные профили поперечного сечения электродных перемычек и пластин решетчатого электрода согласно изобретению.In FIG. 11 shows preferred cross-sectional profiles of electrode bridges and grid electrode plates according to the invention.
Фигура 12:Figure 12:
На фиг. 12 показан предпочтительный вид сверху решетчатых электродов.In FIG. 12 shows a preferred plan view of the grid electrodes.
a. Ячеистая решетка. Ячейки могут быть правильными или неправильными многоугольниками. Количество сторон от 3 до 20.a. Cell grid. Cells can be regular or irregular polygons. The number of sides is from 3 to 20.
b. Прямоугольная решеткаb. Rectangular lattice
Фигура 13:Figure 13:
На фиг. 13 показан предпочтительный вид сверху решетчатых электродов.In FIG. 13 shows a preferred plan view of the grid electrodes.
a. Спицевидная разделенная решеткаa. Spoke split grille
b. Спицевидная разделенная решетка с боковыми перемычками Фигура 14:b. Spoke-shaped split grille with side bars Figure 14:
На фиг. 14 показан особо предпочтительный вид сверху решетчатых электродов. Пунктирными линиями показаны границы сегментов.In FIG. 14 shows a particularly preferred plan view of the grid electrodes. Dashed lines show segment boundaries.
a. Кольцевая «фрактально масштабируемая» решетка, разделенная на четыре сегментаa. Ring "fractally scalable" lattice divided into four segments
b. Кольцевая «фрактально масштабируемая» решетка, разделенная на шесть сегментовb. Annular "fractally scalable" array divided into six segments
Фигура 15:Figure 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.In FIG. 15 shows an electrode segment in the form of a divided grid according to the invention, consisting of an electrode bridge, which is attached to the apron of the reactor hood, and plates located perpendicular to it.
a) Электродная перемычка выступает с нижней стороны, а пластины выступают с верхней стороны.a) The electrode bridge protrudes from the bottom side and the plates protrude from the top side.
b) Электродная перемычка выступает вверху и внизу.b) The electrode bridge protrudes at the top and bottom.
Фигура 16:Figure 16:
На фиг. 16 показаны электроды в виде стержня согласно изобретению.In FIG. 16 shows rod electrodes according to the invention.
a) Электрод в виде стержня с коническим концом: Вид спереди (левый), вид сбоку (правый), вид сверху (нижний).a) Rod electrode with tapered end: Front view (left), side view (right), top view (bottom).
b) Электрод в виде стержня с клиновидным концом: Вид спереди (левый), вид сбоку (правый), вид сверху (нижний).b) Wedge-end rod electrode: Front view (left), side view (right), top view (bottom).
Фигура 17:Figure 17:
На фиг. 17 показан эскиз реактора с подвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом и электродом в виде стержня.In FIG. 17 shows a sketch of a moving bed reactor according to the invention with direct electrical heating and a rod electrode.
Фигура 18:Figure 18:
На фиг. 18 показан детальный рисунок верхнего колпака реактора с электродом в виде стержня на виде сбоку (верхний) и на виде сверху (нижний).In FIG. 18 shows a detailed drawing of the top hood of the rod electrode reactor in side view (upper) and in top view (lower).
Фигура 19:Figure 19:
На фиг. 19 показан эскиз ввода согласно изобретению через внешнюю оболочку верхнего колпака для подачи потока твердых частиц.In FIG. 19 shows a sketch of the introduction according to the invention through the outer shell of the upper cap for supplying a stream of solids.
Фигура 20:Figure 20:
На фиг. 20 показан эскиз ввода согласно изобретению через внешнюю оболочку верхнего колпака для соединительной шины электрического тока.In FIG. 20 shows a sketch of an inlet according to the invention through the outer shell of a top cap for an electric current busbar.
Фигура 21:Figure 21:
На фиг. 21 показан эскиз реактора с неподвижным слоем согласно изобретению с прямым электрическим нагревом.In FIG. 21 shows a sketch of a fixed bed reactor according to the invention with direct electrical heating.
Фигура 22:Figure 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 (AEI) к площади поперечного сечения соответствующего электропроводящего соединительного элемента (AVE).In FIG. 22 is a freehand sketch of the top or bottom section of the device according to the invention to illustrate the calculation of the ratio of the cross-sectional areas of the top or bottom electrode (A EI ) to the cross-sectional area of the corresponding electrically conductive connector (A VE ).
Фигура 23:Figure 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 (AEI) к площади поперечного сечения соответствующего электропроводящего соединительного элемента (AVE).In FIG. 22 is a freehand sketch of a prototype electrode connection similar to the drawings in US Pat. No. 5,903,591 to illustrate the calculation of the ratio of the cross-sectional areas of the top or bottom electrode (A EI ) to the cross-sectional area of the corresponding electrically conductive connector (A VE ).
Условные обозначения:Legend:
1. Средняя секция реактора1. Middle section of the reactor
2. Верхняя торцевая секция реактора / верхний колпак реактора / верхняя секция устройства2. Upper end section of the reactor / upper reactor hood / upper section of the device
3. Нижняя торцевая секция реактора / нижний колпак реактора / нижняя секция устройства3. Lower end section of the reactor / lower reactor hood / lower section of the device
4. Электродные перемычки разделенного верхнего электрода4. Electrode bridges of the split upper electrode
5. Электродные перемычки разделенного нижнего электрода5. Electrode bridges of the split bottom electrode
6. Линия подачи потока твердых частиц6. Solids flow line
7. Вывод потока газообразного продукта7. Output gaseous product flow
8. Соединительная шина для электрического тока в верхнем колпаке реактора8. Connection bus for electric current in the upper hood of the reactor
9. Конусный распределитель9. Cone distributor
10. Соединительный элемент / фартук в верхнем колпаке реактора для контакта с электродами10. Connector / apron in the upper hood of the reactor for contact with the electrodes
11. Фланец на верхнем колпаке реактора11. Flange on the upper hood of the reactor
12. Пластинчатый распределитель потока газообразных исходных веществ12. Plate distributor for the flow of gaseous starting substances
13. Кольцевой распределитель потока газообразных исходных веществ13. Annular distributor of the flow of gaseous starting substances
14. Нижний колпак реактора конической формы14. Lower hood of the conical reactor
15. Вывод потока твердого продукта15. Solid product flow output
16. Соединительный элемент / фартук в нижнем колпаке реактора для контакта с электродами16. Connector / apron in the lower hood of the reactor for contact with the electrodes
17. Соединительная шина для электрического тока в нижнем колпаке реактора17. Connection bus for electric current in the lower hood of the reactor
18. Фланец на нижнем колпаке реактора18. Flange on the lower hood of the reactor
19. Каналы для бокового отвода газообразного частичного потока из реакционной зоны19. Channels for lateral removal of the gaseous partial flow from the reaction zone
20. Кольцевой коллектор для бокового отвода20. Ring manifold for side outlet
21. Футеровка рубашки реактора огнеупорной, электрически и термически изолирующей кирпичной кладкой21. Lining of the reactor jacket with refractory, electrically and thermally insulating brickwork
22. Фланец на верхнем конце рубашки реактора22. Flange at the upper end of the reactor jacket
23. Электроизоляционное промежуточное кольцо между фланцами верхнего колпака и рубашкой реактора23. Electrical insulating intermediate ring between the flanges of the upper cap and the reactor jacket
24. Фланец на нижнем конце рубашки реактора24. Flange at the lower end of the reactor jacket
25. Электроизоляционное промежуточное кольцо между фланцами верхнего колпака и рубашкой реактора25. Electrical insulating intermediate ring between the flanges of the upper cap and the jacket of the reactor
26. Обогреваемая зона в насыпном слое частиц / в подвижном слое26. Heated zone in the bulk layer of particles / in the moving layer
27. Нижняя зона теплопередачи в насыпном слое частиц / в подвижном слое27. Lower heat transfer zone in bulk particle bed / moving bed
28. Верхняя зона теплопередачи в насыпном слое частиц / в подвижном слое28. Upper heat transfer zone in bulk particle bed/moving bed
29. Стенка корпуса средней секции реактора29. The wall of the middle section of the reactor
30. Стенка корпуса нижнего колпака реактора30. The wall of the lower hood of the reactor
31. Стенка корпуса верхнего колпака реактора31. The wall of the upper hood of the reactor
41. Внешняя оболочка верхнего колпака реактора / верхней секции устройства41. Outer shell of the upper hood of the reactor / upper section of the device
42. Фланец на верхнем колпаке реактора / нижней секции устройства42. Flange on the upper hood of the reactor / lower section of the device
43. Электроизолирующие, газонепроницаемые вводы во внешней оболочке верхнего колпака реактора43. Electrically insulating, gas-tight bushings in the outer shell of the upper hood of the reactor
44. Линия подачи потока для промывки зазора между внутренней и внешней оболочкой верхнего колпака44. Flow line for flushing the gap between the inner and outer shell of the top cap
45. Вывод потока для промывки из зазора между внутренней и внешней оболочкой верхнего колпака45. Output of the flushing stream from the gap between the inner and outer shell of the top cap
46. Сквозные жестко зажатые в фартуке колпака реактора перемычки решетчатой электродной решетки46. Through rigidly clamped in the apron of the reactor cap jumpers of the lattice electrode array
47. Пластины или боковые перемычки, прикрепленные с одной стороны электродных перемычек разделенного электрода47. Plates or side bridges attached to one side of the electrode bridges of a split electrode
51. Горловина на внешней оболочке с приварным фланцем51. Neck on the outer shell with a welded flange
52. Соединительная линия с приварным фланцем52. Connecting line with welded flange
53. Промежуточное кольцо53. Intermediate ring
54. Горловина на внутренней оболочке с компенсатором и приварной пластиной с резьбовыми отверстиями54. Neck on the inner shell with a compensator and a welded plate with threaded holes
55. Уплотнители для соединения фланцев (51) и (52) с промежуточным кольцом (53)55. Seals for connecting flanges (51) and (52) with an intermediate ring (53)
56. Уплотнители для соединения между пластиной с резьбовыми отверстиями (54) и промежуточным кольцом (53)56. Seals for the connection between the threaded plate (54) and the intermediate ring (53)
57. Гильзы из электроизоляционного материала57. Sleeves made of electrical insulating material
58. Впускная труба для потока твердых частиц58. Inlet pipe for solids flow
61. Горловина на внешней оболочке с компенсатором и приварным фланцем61. Neck on the outer shell with a compensator and a welded flange
62. Свободный фланец62. Loose flange
63. Соединительная штифт для электрического тока в нижней оболочке колпака63. Connecting pin for electric current in the lower shell of the cap
64. Соединительный разъем для электрического тока в качестве сопряженной детали к (63)64. Connector for electric current as mating part to (63)
65. Гильзы из электроизоляционного материала65. Sleeves made of electrical insulating material
66. Уплотнители для соединения фланцев (61) и (62) с гильзой (65)66. Seals for connecting flanges (61) and (62) with a sleeve (65)
67: Гильза из электроизоляционного материалаFig. 67: Sleeve made of insulating material
71. Верхняя торцевая секция корпуса реактора / верхний колпак реактора / верхняя секция устройства, выполненная в форме торосферического днища71. Upper end section of the reactor vessel / upper reactor cap / upper section of the device, made in the form of a toruspherical bottom
72. Опора катализатора для поддержки каталитически активного неподвижного слоя72. Catalyst support for supporting the catalytically active fixed bed
73. Линия подачи потока газообразных исходных веществ73. Feed line for the flow of gaseous starting substances
74. Вывод потока газообразного продукта74. Output gaseous product flow
AEI: Площадь поперечного сечения электродаAEI: Electrode cross-sectional area
AVE: Площадь поперечного сечения соединительного элементаAVE: Cross-sectional area of the connecting element
VE: Соединительный элементVE: Connector
Н: КолпакH: Cap
D: Уплотнительное и изолирующее кольцоD: Sealing and insulating ring
SW: Боковая стенкаSW: Side wall
WD: Теплоизоляция / каменная кладкаWD: Thermal insulation / masonry
F1: Фланец на колпакеF1: Flange on cap
F2: Фланец на боковой стенкеF2: Flange on the side wall
EI: ЭлектродEI: Electrode
Т: ВоронкаT: Funnel
ZS: Цилиндрический каналZS: Cylindrical channel
Примеры:Examples:
Сравнительный пример (аналогично US 5,946,342):Comparative example (similar to 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.Methane pyrolysis should be carried out in a moving bed reactor with direct electrical heating. The volumetric flow of gaseous starting materials is 11000 Nm 3 /h. The thread contains 65 vol. % methane, 15 vol. % hydrogen and about 20 vol. % nitrogen. The flow of solid starting material, which is introduced into the reactor from above, is 11.45 t/h. The particle stream consists of coke with a carbon content of >99.5%. The diameter of the reaction zone is 3400 mm, the height of the electrically heated zone is 2000 mm. Graphite grid electrodes are located at the upper and lower ends of the heating zone, through which the electric current is introduced into the moving bed solid packing. Above the top electrode there is a heat transfer zone with a length of 1000 mm. Similarly, under the lower electrode there is a heat transfer zone with a length of 1000 mm. An electric current of 70,000 A should be introduced into the reactor. The electric current is introduced through twelve cylindrical electrode leads made of graphite, which are arranged in the shape of a star and evenly spaced around the circumference of the reactor jacket at the level of the corresponding electrode. The electrode leads have a diameter of 100 mm and a length of 1000 mm. In the electrode leads, 1000 kW is converted into heat. The specified power corresponds to 12.5% of the required process power. It is entered into the energy balance of the process as wasted power. In addition, the electrical energy dissipated in the form of heat must be removed. The problem is that the specific volumetric release in the electrode leads is 6.2 MW/m 3 . Accordingly, the heat flux density on the surface of the electrode supply is 154 kW/m 2 . Without purposeful intensive cooling of the surface of the electrode supply, such a heat flux density can cause a temperature rise of more than 1000 K. With the indicated settings, a methane conversion of more than 94.2% is achieved. The maximum temperature in the reactor is 1230°C. The temperature difference between the solid product stream and the gaseous feed stream at the lower end of the reactor is practically zero, and the temperature difference between the gaseous product stream and the solid feed stream at the upper end of the reactor is 315K. Since excess heat occurs at a moderate temperature level, it can only be converted into mechanical energy with low efficiency.
Пример согласно изобретению:Example according to the invention:
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).Methane pyrolysis should be carried out in a moving bed reactor with direct electrical heating. The volumetric flow of gaseous starting materials is 11000 Nm 3 /h. The thread contains 65 vol. % methane, 15 vol. % hydrogen and about 20 vol. % nitrogen. The flow of solid starting material, which is introduced into the reactor from above, is 13.5 t/h. The particle stream consists of coke with a carbon content of >99.5%. The diameter of the reaction zone is 3400 mm, the height of the electrically heated zone is 2000 mm. Molybdenum grid electrodes are located at the upper and lower ends of the heating zone, through which an electric current is introduced into the moving bed solid packing. The electrode is made in the form of a spoke-shaped divided grid with side bridges. It contains 12 electrode bridges (spokes) and eight electrode plates (side bridges) on each electrode bridge. The side profile of the electrode bridges is rectangular, 1600 mm long and 300 mm high. The cross section of the electrode bridges is hexagonal as shown in FIG. 11 Electrode bridges are made in the form of hollow profiles. The covering of the electrode rods consists of a multi-layer mesh fabric (6-layer 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.Electrode plates are attached along the electrode bridges at regular intervals of 200 mm. The electrode plates are made of molybdenum. The electrode plates are fixed at right angles and centrally on the electrode bridges as shown in FIG. 13b. The length of the electrode plates increases from the center to the outside. In particular, the length of the electrode plates is (175 mm, 260 mm, 350 mm, 440 mm, 525 mm, 610 mm, 700 mm, 790 mm). The side profile of the electrode plates is rectangular. The height of the electrode plates is the same and is 200 mm. The electrodes are made in the form of solid profiles. The cross section of the electrode plates is hexagonal as shown in FIG. 11, the thickness of the electrode plates is the same and is 20 mm. Electric current is introduced through the reactor caps. The top cap is in the shape of a torospherical bottom and is made of steel 1.4541 with a wall thickness of 20 mm. A cylindrical molybdenum apron 1000 mm long is screwed to the cap. The bottom cap is conical and made of steel 1.4541 with a wall thickness of 20 mm. A cylindrical molybdenum apron 1000 mm long is screwed to the cap. An electric current of 67500 A should be introduced into the reactor. Contact through the cap and twelve electrode jumpers: The heat loss is 19.5 kW, which corresponds to 0.2% of the transmitted power. This power leads to heating of the hoods by about 100 K above the ambient temperature and can be discharged to the environment without any special measures. The electrode bridges also function as conduits for lateral removal of a partial flow from the reaction zone. To do this, the electrode bridges pass through the apron and are open at the outer end. All electrode bridges terminate in an annular channel which functions as a collection channel for the side outlet. As a result, 15% of the gas stream is removed at the upper end of the heating zone of the reaction zone. With these settings, a methane conversion of over 96.5% is achieved. The maximum temperature in the reactor is 1320°C. The temperature difference between the solid product stream and the gaseous feed stream at the lower end of the reactor is 26 K, and the temperature difference between the gaseous product stream and the solid feed stream at the upper end of the reactor is 75 K. This achieves excellent heat integration in the reactor. Excess heat is removed mainly with a side flow at a temperature of 1270°C.
Краткое обобщение:Brief summary:
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18153697 | 2018-01-26 | ||
| EP18153697.0 | 2018-01-26 | ||
| PCT/EP2019/051466 WO2019145279A1 (en) | 2018-01-26 | 2019-01-22 | Device packed with solid material for performing endothermic reactions with direct electrical heating |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020128169A RU2020128169A (en) | 2022-02-28 |
| RU2020128169A3 RU2020128169A3 (en) | 2022-03-15 |
| RU2778871C2 true RU2778871C2 (en) | 2022-08-26 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4149023A (en) * | 1975-04-21 | 1979-04-10 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for reclaiming a used active carbon |
| US5694413A (en) * | 1993-02-12 | 1997-12-02 | Maschinenfabrik Gustav Eirich | Procedure and apparatus for continuous supply of heat in electrically conductive bulk goods |
| US5903591A (en) * | 1997-01-15 | 1999-05-11 | Brassey; John Michael | Apparatus and process for activation of carbonaceous char or reactivation of spent carbon by electrical resistance heating |
| JP2010020982A (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-28 | Chuo Denki Kogyo Co Ltd | Electrode for electric furnace for melting treatment of waste, and melting treatment method of waste |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4149023A (en) * | 1975-04-21 | 1979-04-10 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for reclaiming a used active carbon |
| US5694413A (en) * | 1993-02-12 | 1997-12-02 | Maschinenfabrik Gustav Eirich | Procedure and apparatus for continuous supply of heat in electrically conductive bulk goods |
| RU2127498C1 (en) * | 1993-02-12 | 1999-03-10 | Машиненфабрик Густав Айрих | Process and gear for uninterrupted application of heat to current conducting loose materials |
| US5903591A (en) * | 1997-01-15 | 1999-05-11 | Brassey; John Michael | Apparatus and process for activation of carbonaceous char or reactivation of spent carbon by electrical resistance heating |
| JP2010020982A (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-28 | Chuo Denki Kogyo Co Ltd | Electrode for electric furnace for melting treatment of waste, and melting treatment method of waste |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111656858B (en) | Apparatus for filling solid material for endothermic reactions by direct electrical heating | |
| US20220152568A1 (en) | Reactor for endothermic high-temperature reactions | |
| US8273314B2 (en) | Internal combustion exchanger-reactor for fixed bed endothermic reaction | |
| CA2862527C (en) | Heat integrated reformer with catalytic combustion for hydrogen production | |
| CN112265962B (en) | Electric cooperative heat supply reforming reaction system | |
| US11607657B2 (en) | Heat integrated reformer with catalytic combustion for hydrogen production | |
| JP2024541708A (en) | Improved catalytic reactor for the conversion of carbon dioxide and hydrogen to synthesis gas. | |
| EP1361919B1 (en) | Reactor for conducting endothermic reactions | |
| WO2022074212A1 (en) | Electric reactor for steam cracking | |
| JP2012521960A (en) | Steam reformer with passive heat flux control element | |
| RU2778871C2 (en) | Device with solid-state nozzle for endothermal reactions with direct electrical heating | |
| US20230010059A1 (en) | Process for performing a pyrolysis of hydrocarbons in an indirectly heated rotary drum reactor | |
| CN119140016B (en) | An electrically driven reactor based on an integral honeycomb structure with conductive heating and its application | |
| WO2025073688A1 (en) | Indirectly heated moving-bed reactor | |
| RU2801853C2 (en) | Reactor for endothermic high-temperature reactions | |
| CN119140016A (en) | Electrically driven reactor based on conductive heating integral honeycomb structure and application thereof | |
| WO2025215494A1 (en) | Structured ceramic catalyst and corresponding reactor | |
| EA049757B1 (en) | IMPROVED CATALYTIC REACTOR FOR CONVERSION OF CARBON DIOXIDE AND HYDROGEN INTO SYNGAS | |
| WO2025181650A1 (en) | Pyrolysis reactor | |
| WO2024163236A2 (en) | Electrothermal process, materials, system and apparatus | |
| BR112020004350B1 (en) | PRESSURE AND TEMPERATURE RESISTANT REACTOR AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SYNTHESIS GAS | |
| BR112020004350A2 (en) | conversion reactor and procedure |