CN103857873A - 从水下来源除去和处理气体的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于从水下来源除去和处理气体的系统和方法。一种根据特定实施例用于从水下区域中除去和处理气体的系统，包括膜或具有端口的其它开放式底部结构，并且系统被设置在水下区域的至少一个部分之上，以便至少部分地包围一体积的气体。该系统可以进一步包括耦合到开放式底部结构的化学反应器以接收该气体，并且该化学反应器被定位以引导非燃烧反应从该气体的供体物质离解一成分。

Description

从水下来源除去和处理气体的系统和方法

对相关申请的交互引用

本申请要求2011年8月12日提交的，美国临时申请号为61/523，259的优先权，并通过引用并入本文。如果前述临时申请和/或通过引用并入本文中的任何其它材料与本公开内容冲突，则以本公开内容为准。

技术领域

本申请一般涉及用于从海底收集和除去气体以及使用反应器处理气体以有效地产生输出成品(例如氢燃料和结构材料)的系统和方法，以及相关的系统和方法。在具体实施例中，气体收集和提取过程可以用对环境的有限影响来提取甲烷并且可以从当形成基于氢的燃料时释放出的碳和/或其它元素产生基于氢的燃料和结构构建块(structural building block)。

背景技术

据估计，在美国的沿海水域的甲烷水合物中有可能储存多达317万亿立方英尺的甲烷气体。尽管甲烷的这个来源将提供能量的大量来源，从海洋甲烷水合物中提取甲烷被报告为在技术上是有困难或不可能的，并且对环境有潜在危险。甲烷水合物被认为在海洋环境中是不稳定的，因为它比海水密度小并且在压力或温度中的微小变化会导致含有甲烷的冰失败并释放大量的甲烷到环境中。据了解，大规模的甲烷释放入海和大气可能对气候和经济造成灾难性的后果。

除了环境的考虑，有证据显示，地震事件和削弱气体水合物的晶格状结构已经触发水下甲烷排放和滑坡。甲烷水合物的提取，如果处理不当，可能会导致触发额外的甲烷气体从这些水合物的释放的海底突然中断。此外，据了解，海水变暖可能随着时间的推移促使甲烷的大量释放作为冰冻的甲烷水合物融化，腐烂，和/或以其他方式失败并释放甲烷到环境中。

鉴于目前与甲烷的稳定性和提取相关联的上述和其它的缺点，由于自然或其他海洋事件(如海水的变暖)仍需要收集从海底逸出的甲烷气体。同样也仍然需要提供用于从海底提取甲烷的安全和可控的方法。

附图说明

图1是根据本公开的技术的实施例配置的具有热化学处理(TCP)反应器的反应器系统的部分示意横截面图。

图2是根据本公开的技术的实施例的耦合到安装在海底的气体收集和提取系统的TCP反应器系统的部分示意横截面图。

图2A-2C是图2的气体收集和提取系统的其它实施例的部分示意横截面图。

图2D是图2的TCP反应器系统的另一实施例的示意图。

图3和图4是根据本公开技术的气体收集和提取系统的仍进一步的实施例的部分示意横截面图。

图5是根据本公开的技术的实施例的气体水合物的转换系统的端视图，该转换系统从气体水合物中提取甲烷并产生各种产物。

图6是根据本公开的技术的一个实施例的使用太阳能装置提取甲烷的的气体水合物转换系统的立体图。

图R1-1是根据本公开的技术的实施例的具有反应器的系统的部分示意的部分横截面图。

图R1-2是根据本公开的技术的实施例的具有环形地定位的透射面的反应器的一部分的部分示意剖切图。

图R2-1是根据本公开的技术的一个实施例的具有带有再辐射元件的反应器的系统的部分示意的、部分横截面图。

图R2-2根据本公开的技术的实施例示出了吸收特性作为代表反应物和再辐射材料的波长的函数。

图R2-3是根据本公开的技术的特定实施例配置的具有再辐射元件的在图R2-1中示出的反应器一部分的放大的局部示意图。

图R3-1是根据本技术的实施例配置的热传递设备的示意性剖视图。

图R3-2A和R3-2B是配置成根据本技术的其他实施例的热传递设备的示意性横截面图。

图R3-3A是根据本技术的又一个实施例的在第一方向上操作的热传递装置的示意性横截面图，图R3-3B是在与第一方向相反的第二方向上操作的图R3-3A的操作的热传递装置的示意性横截面图。

图R3-4是根据本技术的实施例的适合传递热量的热泵的部分示意图。

图R4-1是根据本公开技术的实施例的具有引导热量至反应器容器的太阳能聚集器的系统的局部示意图。

图R4-2是根据本公开技术的实施例的反应器容器的一部分的部分示意放大图，包括用于控制输送太阳能到反应区域的附加特征。

图R4-3是根据本的实施例的具有环形定位产物去除和反应物输送系统的反应器容器的实施例的部分示意横截面图。

图R5-1是根据本技术的实施例配置的具有太阳能聚集器的系统的部分示意的，部分横截面图。

图R5-2是根据本公开的实施例的具有被配置为在冷却过程中发射能量的太阳能聚集器的示于图1中的系统的实施例的部分示意的，部分横截面图。

图R5-3是根据本公开的实施例的具有可动太阳能聚集器的系统的部分示意的、部分截面图。

图R6-1是根据本公开技术的实施例的具有反应器的系统的局部示意图，该反应器朝向基板在批处理模式中的操作。

图R7-1是根据本公开技术的实施例的反应器系统的部分示意的，部分横截面图，该系统从内燃机接收能量并返回反应产物至发动机。

图R8-1是根据本公开的实施例的具有相互吸热和放热反应区域的反应器的部分示意横截面图。

具体实施例

1、概述

以下公开了用于在热化学处理(TCP)反应器中提取气体和进行反应的装置、系统和方法的几个例子。提取系统和TCP反应器可根据多个与操作模块被用于访问在海洋气体中的供体分子(例如，氢供体)并离解供体为供体产物(例如，氢或氢化合物，并且碳或碳的化合物)。离解的产物可用于产生电能，氢燃料和/或其他有用的最终产物。相应地，TCP反应器可以生产清洁燃烧的燃料，且可以重新计划用于耐用品(包括聚合物和碳复合材料)中的碳和/或其它成分。尽管下面的描述以足以使相关领域的技术人员能够实现、制备和使用它们的方式提供了典型实施例的许多具体细节，但是下述的几个细节和优点可能不是实践所述技术的某些实施例所必需的。另外，所述技术可以包括在本技术范围内、但是在这里没有详细描述的其它实施例。

在本说明书中提及的“一个实施例”、“实施例”、“一个实施例”或“实施例”是指，结合所述实施例描述的特定部件、结构、过程或特征被包括在本发明技术的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个实施例”或“实施例”在本说明书的不同地方的出现，不一定都是指同一个实施例。此外，特定部件、结构、例程、步骤或特征可以以任意合适的方式组合进所述技术的一个或多个实施例中。本文提供的标题仅仅是为了方便，无意限制或解释本技术的范围或含义。

下述技术的某些实施例可以采取计算机可执行指令(包括由可编程的计算机或控制器执行的例程)的形式。相关领域的技术人员会明白，所述技术可以在下面示出和描述的那些以外的计算机或控制器系统上实现。所述技术可以体现在特殊用途计算机、控制器或数据处理器中，所述特殊用途计算机、控制器或数据处理器被专门地编程、构造或构建成执行一个或多个下述的计算机可执行指令。因此，在本文中一般地使用的术语“计算机”和“控制器”是指任意数据处理器，且可以包括因特网装置、手提式装置、多处理器系统、可编程的用户电子器件、网络计算机、微型计算机等等。所述技术也可以在分布式环境中实现，在该分布式环境中由通过通信网络连接的远程处理装置来执行任务或模块。下述技术的方面可以被储存或分布在计算机可读介质上，所述计算机可读介质包括磁盘或光学可读盘或可移动的计算机盘以及电子地分布在网络上的介质。在具体实施例中，所述技术的某些方面特有的数据结构和数据传输也被包括在本发明的技术范围内。本发明的技术包括将计算机可读介质程序化成执行特定步骤、以及执行所述步骤的方法。

2、代表性的TCP反应器和TCP反应器系统

图1是典型的TCP反应器100和反应器系统110的局部示意图。进一步代表性的TCP反应器和反应器系统在2011年2月14日提交的、美国专利申请号13/027,208(代理号69545.8601US)，题为“CHEMICALPROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCINGHYDRO GEN FUEL S AND S TRUC TURAL MATERIAL S，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS中被进行了详细的描述，该申请通过引用方式被结合在此并被称为’208申请。如图所示，代表性的反应器100具有反应容器102，其被配置为并被隔离来提供反应条件的控制，包括在反应器室104内部之中的升高的温度和/或压力，足以重组或离解被引入至反应器100的供体物质106。重组或离解过程是不可燃的过程，并且可以根据先前以引用方式并入的′208申请中描述的参数来进行。反应器系统110可包括热交换器、加热器、管道、阀门、传感器、电离器和其它设备(在图1中未示出)，以便引入供体物质106到TCP反应器100中，以促进重组，再进化和/或离解反应器100内的供体物质106，并以有利于从反应器100中提取供体物质106的解离的和/或重组的组分。

所述反应器腔室104包括一个或多个供体入口108，用于从供体源112接收供体物质106。在具体的实施例中，供体物质106为氢供体，它可以是固体，液体，和在另外的实施例中的气态烃，例如，甲烷气体。供体物质106可包括其它碳基化合物，例如，乙烷，丙烷或丁烷，伴随有十六烷和/或辛烷等级化合物。在更进一步的实施例中，供体物质106可以包括低等级的构成，例如，脱同类十六烷或辛烷等级烃，或湿醇。在至少某些实施例中，供体物质可以包括除烃类燃料(例如，碳水化合物，脂肪，醇类，酯类，纤维素和/或其他)外的其它化合物。在又进一步的实施例中，氢供体106可以包括与除碳以外的成分组合的氢原子。例如，含氮化合物(例如，氨和/或尿素)可以起到类似氢供体的功能。其它合适的氢供体的例子在先前通过引用并入本文的’208申请中被描述了。在又一实施例中，供体物质可以捐赠除氢之外的成分。例如，反应器100可以从CO₂和/或另一个氧供体离解氧，或反应器100可以解离卤素供体。供体物质106可以是通过供体的入口喷嘴114被分配到反应器腔室104的气体或液体形式。通常情况下，供体物质106被提供为蒸气或气体。在其它实施例中，供体物质106可以是在反应器腔室104中经历的气体相变的液体或蒸汽。

在反应器腔室104中，供体物质106经历重组、部分氧化和/或非燃烧型离解反应，并离解成至少两中组分，例如，气体120和固体122。在其它实施例中，解离组分可以采取液体和气体的形式，或者两种气体，这取决于所用的供体物质和离解过程参数。在进一步的实施例中，供体物质106可以离解成以固体、气体或液体，或这些相的混合物的形式的三个或更多个离解的组分。在特定实施例中，甲烷是供体物质，而解离的组分是由碳和氢。

当碳是离解的组分时，它可以被设置为反应器腔室104内的内部供体固体(例如，碳)的收集器124上的固体122，并且当氢是离解组分时，它可以在反应器腔室104内的气体120形式。碳可以从内部收集器124经由存储罐或如箭头121所示的其他容器115被转移到工业制造或包装厂。氢气可与二氧化碳反应，二氧化碳来自如燃烧室140的源和/或用于生产流体如选定的醇类和/或水的供体源112。在其它实施例中，氢和碳可以从反应器腔室104一起去除(例如，在气态形式，如H₂和CO和/或CO₂和/或CH₃OH和/或C₂H₅OH，等等)，并隔开反应器腔室104外部。如氢气117，一氧化碳127，和水129的物质可以通过选择性过滤、压力或温度摆动吸收和/或在分离/收集子系统(例如，收集器)131a，131b和131c中的相位分离过程被收集。任何剩余的成分可以在额外的收集器128被收集。在升高温度下的产物可以与供体物质(例如，原料)106进行热交换，以冷却输出产物和加热进入反应剂。如上所述，在许多这些实施例中，供体物质用作氢供体，并且被离解成氢(或氢化合物)的分子和供体(或供体化合物)的分子。

此外，为除去反应产物以为其他用途访问产物，反应产物可以以有利于在反应器腔104中发生反应的一种方式和/或以一速率被除去。例如，固体产物(例如，碳)可以通过输送装置被去除，以及流体(气体和/或液体)可通过选择性过滤器或膜被去除以避免同时除去反应物。作为产物被去除，它们可以与进入的反应物进行热交换，如上所述。除了预加热反应物，此过程可收缩和/或改变产物的相位，这可以进一步加速移除处理和/或控制(例如，降低)在反应器腔室104中的压力。在特定实施例中，从产物流中冷凝水和/或醇可以达到这个目的。在任何这些实施例中，快速而不是缓慢除去反应物可以增加在腔室104中进行反应的速率和/或效率。

在至少某些实施例中，如能源作物，森林砍伐，填埋废物和/或其它有机废物物质可以被转移到反应器腔室104，例如，通过供体入口108，并可以进行厌氧加热以产生气体，例如甲烷，水蒸汽，氢气和一氧化碳。这个过程和/或其他过程可以创建灰分，其如果允许积累，可以干扰反应器腔104内的辐射加热和/或其它过程。因此，灰分残余物123可以在灰分收集器125被收集，并转移到外部灰分收集器或容器119(如箭头113所指示的)以用于各种用途，例如返回微量矿物质以改进水耕操作或土壤改良作物的生产率，或者在具体配方中的成分。灰分收集器125可被冷却和/或定位以选择性吸引相对于其它产物和/或反应物的灰分沉积。在至少某些实施例中，灰分也可含有同样被收集的炭。在一般情况下，被引入反应器100和被从反应器100中移除的灰分和/或碳的量部分取决于供体106的组合物，以相对简单的和/或产生很少或不产生灰分和碳的纯供体(例如，纯甲烷)。在任何这些实施例中，与收集反应器腔室104内的而不是从排出腔室的产物中的灰分相关联的有点是灰分不易污染、弄脏和/或以其他方式干扰反应器100的有效操作。本实施例的优点包括关于灰分123被生产和/或从反应器腔室104被去除的速率的增加的耐受性。因此，灰分可具有对在腔室104中的反应速率的很小的影响或没有影响，因此可以不作为产物去除速率被严格控制。

反应器腔室104包括一个或多个反应腔室出口126(示意性地示于图1)，通过该出口气体或液体离解组分可以被去除并被输送用于后续处理或控制。供体入口喷嘴114、供体固体收集器124以及反应器腔室出口126可以被定位以提高(例如，最大化)通过反应器腔室104的供体物质106和离解组分120和122的移动，以便于从TCP反应器100累积和去除解离的组分。TCP反应器100还可以包括一个或多个固体收集器出口130(两个被在图1中示出)，通过该出口固体离解组分122和/或灰分123可以从反应器100移除。来自反应器100的代表碳基产物包括碳、碳化硅、卤代烃类、石墨和石墨烯。这些产物可以被进一步处理，例如，以形成碳薄膜，陶瓷，半导体器件，聚合物和/或其他结构。因此，在反应器100中进行反应的反应的产物可以是能够被用于进一步处理或在进一步处理之后的建筑结构或结构构件。其它适合的产物在’208申请中描述。

如上所述，TCP反应器100可以被配置为便于供体物质106进入反应器腔室104，并允许材料的外出，材料包括来自反应器腔室的离解的组分120和122，例如，如以下公式1所概括的。在TCP反应器100还可以接收由加热器132经由集中太阳能或电加热提供的额外的热能或通过循环传热流体提供的额外的热能。当太阳能，风能，水电，地热或另一非峰值能量对于操作系统110是过量需求时，能量(如热能)可以被存储在一个热电池或转移到加热的水存储媒介。在特定实施例中，TCP反应器100和TCP反应器系统110作为一个整体，可以被构造成允许的额外物质和/或能量进入或离开反应器腔室104。这些额外的物质和/或能量可以应用于修改TCP反应器100的操作，以便接受不同供体物质，以提供不同的解离和/或重组的组分，以提供对离解反应更大的控制，和/或以提供在TCP反应器系统的操作中的更高的效率。

在图1的代表性的系统中，额外反应物，例如，水(蒸汽)的反应物分配器134被布置在反应器腔室104以提供补充热量和/或成分。在反应腔室104中的水还可以参与反应，例如重组蒸汽和甲烷转化成下面的公式2中所示的产物。因此，公式1和2示出了代表性的无需水(或其它氧供体)作为反应物和需要水(或其它氧供体，如空气)作为反应物的离解和重组过程：

CH4+HEAT₁→C+2H2(1)

CH₄+H₂O+HEAT₂→CO+3H₂(2)

在图1所示的特定实施例中，燃烧室140引导燃烧产物142通过箭头143所指示的燃烧产物入口144送入反应器腔室100。热发射燃烧产物142通过反应器100，以便提供额外的热至反应器腔室104并经由出口146退出。燃烧产物入口144和出口146可通过管道或导管148连接，其有利于从燃烧产物142将热量传递到反应器腔室104，并且，在特定实施例中，允许一定的或所有的燃烧产物14通过导管148的可渗透或透射面进入反应器腔室104。这样的产物可以包括蒸汽和/或碳，氮和/或氧的氧化物，而这种表面在2011年2月14日提交的美国专利申请号13/026，996(代理人案卷号69545.8602US)，标题为“REACTOR VESSELS WITH TRANSMISSIVESURFACES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS ANDSTRUCTURAL ELEMENTS，AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS”的申请中被进一步描述的，该申请通过引用方式被合并于此。相应地，燃烧产物142可以补充供体物质106作为氢气和/或供体分子的来源。在进一步的实施例中，反应器100还可以包括如在′208申请中描述的一个或多个热交换器(例如，逆流热交换器)。在任何一个的这些实施例中，足够的热量传递到反应器100，以使非燃烧分解反应分离供体物质106为供体基组分和氢或氢基组分。

具有上述任何配置的反应器都可以被用于处理从多种液体，蒸汽和/或气体生产场所得到的物质。代表性场所包括垃圾填埋场(其中有机行动已经产生可回收有价值的甲烷和/或二氧化碳的总量)，海底(支撑冰冻的甲烷水合物受到调用，例如通过解冻)，永久冻土层，释放二氧化碳的降解石灰石矿床，厌氧的消化的纸和/或纸制品，以及滞留井气。处理从这样的场所和/或其他场所提供的气体的反应器需要热量以促进非燃烧反应，解离和/或水解反应。必需的热量可全部或部分地从太阳能，风能，地热和/或其他来源获得。从水下来源提供能量和/或反应物到TCP反应器的代表性技术被参考图2-6进行如下描述。

3、代表海洋气体收集和提取系统

例如那些具有任何上述配置或实现任何上述功能的反应器可以被用来处理甲烷和/或其它气体，例如，从海底获得的潜在的温室气体。现在参照图2，特别的技术包括识别和映射在海底202上的感兴趣的区域200，其正在经历，或具有经历的可能性，涉及含有感兴趣的区域200的供体物质106释放的过程。承载TCP反应器系统110D的支撑结构300(图示为一驳船或其它浮动结构)然后被定位在感兴趣的区域200之上或邻近感兴趣的区域200，并被保持就位，例如通过系缆或推进器。在另一个实施例中，TCP反应器系统110可定位于搁在海底202上的悬挂钻机或者非浮动结构上，或者可以被定位离陆地附近一距离，该距离远离感兴趣的区域200但足够接近以允许建立TCP反应器系统110和感兴趣的区域200之间的流体连接。

感兴趣的区域200可以在若干因素的基础上进行选择。一个因素是地理，如海底202的形状可以在感兴趣的区域200协助或复杂化供体物质106的安全和/或有效地收集或提取。如示于图2中，代表的感兴趣的区域200是大致平坦的、在中心部分201具有轻微的升高。在本实施例中，感兴趣的区域200包括大部分与有机材料、细菌和其它生命形式、以及一种或多种笼形化合物(例如，甲烷水合物，大部分以冰格或晶体形式)混合的不同深度的沉积物。几个代表性的实施例在甲烷水合物的上下文中被披露如下。根据其他实施例的系统和方法使用其它的水合物，例如，乙烷，丁烷和/或丙烷的水合物。在又一实施例中，其他的冰结合物质(更通常被称作笼形化合物)被得到。在任何这些实施例中，从海洋和/或其它来源收回的特别成分将取决于来源的位置等因素。在某些情况下，不同成分往往会自然分离，或者是易于分离的，例如，如果它们位于不同的场所，和/或适当地具有不同的化学性质。在其他情况下，不同的物质可以在它们已经被释放后分离，例如，使用膜，重力分离装置和/或其他技术。在任何这些实施例中，它可能是有利于分别处理不同的物质以考虑与不同的反应物相关联的不同的反应参数，和/或与不同的反应产物相关联的不同的下游过程。

在更进一步的实施例中，除笼形化合物以外的物质被回收和分离。例如，所公开的系统和方法可以包括回收二氧化碳和/或其它物质，并将它们解离成至少两种成分，例如，碳或碳化合物，和氧气或氧化合物。

在某些方面，代表的感兴趣的区域200通常具有不到2度的水温，是在大约300米(980英尺)或更深的深度，并在约30巴(450磅)的水压下。在本实施例中，感兴趣的区域200位于具有3.2公里(2英里)直径的圆形区域内。支撑300被定位在一个较高的位置，如圆的中心，圆的中心定位在感兴趣的区域200的稍微升高的中心部分201。在其它实施例中感兴趣的区域200的特征与图2所示的那些特征可以有很大的变化。例如，感兴趣的区域200可以是或包括在海底上的裂口或突出，可以位于不同的深度，压力或温度，和/或可以包括石灰石、砂岩或其他岩层的海底。感兴趣的区域200也可以在淡水或在人造水库中。感兴趣的区域200可包括除了甲烷水合物之外的可回收供体物质。例如，感兴趣的区域200可以有足够的有机物质和细菌，并提供新鲜的水和/或二氧化碳的来源和/或其他矿物质。

在识别感兴趣的区域200的中心部分201之后，包括膜206或其它柔性元件的结构，例如，开放式底部结构，被稍后定位在海底202的表面之上，以在感兴趣的区域200覆盖该海底。覆盖可以是完整的或部分的，取决于地理和感兴趣的区域200中的供体物质106的浓度。在图2中示出的代表性实施例中，膜206是或多或少的圆形和并覆盖整个感兴趣的区域200。通过将膜206布置在感兴趣的区域200的稍微升高的中心部分201之上，膜206的中央区域208被布置在相对于膜206的其余部分更高的高度，从而限定膜206的最高点210。该膜206可以通过放置重物212(如泥沙、碎石、岩石、或人造重物)在膜206之上被固定在感兴趣的区域200之上的位置，以按住它靠近或抵住海底202。在其它实施例中，重物可以在膜206自身之内被提供，或重物可以在膜206的部署期间或在部署之前被定位在膜206之下。在另一个实施例中，锚定件可以被定位在海底202以及索具被提供以固定膜206至锚定件。在本实施例中，膜206可设置有结构增强构件以保持膜206关于接合锚定件的锚点的完整性和位置。在又一实施例中，膜206的边缘或周边可埋在海底202或被加重以固定膜206。在任何这些实施例中，膜206可具有外周或者被相对于海底202固定的周边区域，并且从周边向内设置的内部区域。

膜206可以由任何或许多合适的配置和/或规格制成，包括薄的足够强以承受由部署过程、锚定装置或重物212所传递的力，从海底释放出来的气体，以及环境压力(如地震活动和洋流)的材料。例如，膜206可包括强纤维系统，该强纤维例如玻璃或碳基纤维和/或碳纤维增强的或金属化的薄膜，包括一种能够防止气体穿过膜的多功能层。在进一步的具体实施例中，TCP反应器产生的碳被用于制造碳纤维增强材料和/或碳基薄膜。在另一个实施例中，膜206抑制气体通路但允许水通过。膜206可以是单个连续材料片材或彼此连接以共同形成整体膜的分离的膜部分的互连的拼凑(可能会或可能不会执行不同的功能)。在另一个实施例中，膜206具有气体释放口214，其允许在膜206下被捕获的某些气体的释放，或预先确定的压力或体积的气体的释放，以保持在可接受的限制内的膜206上的压力。在图2所示的实施例中，膜206以翼片的形式设置有气体释放口214，翼片可被移位以暴露端口或膜206中的孔的图案在膜208的中心附近。但在一般情况下，端口214保持关闭，从而增加甲烷水合物的捕获效率和减少或消除的甲烷排放到海洋以及因而对全球大气造成影响。

一旦膜206是在感兴趣的区域200的海底202之上的位置，从海底202逸出的气体将上升，并捕获在膜206下。因此，膜206至少部分地包围大量的捕获的气体216。捕获的气体216将沿着膜206的底部表面迁移至膜206的最接近的升高部分，并继续直到它到达膜206的最高点210。膜206的最高点210可以在膜206的中心208或偏离中心，或膜206可以被布置以提供两个或更多个高点。例如，在图2A示出的代表性实施例中，膜206被布置以提供几个稍微升高的部分218，其被定位成包含特定量的捕获气体216。那些量的捕获气体216然后在该膜206的最低点220下溢出以在膜206的最高点210下收集。

回到图2，将所述膜206的中心208在感兴趣的区域200的稍微升高的中心部分201提供在膜206的中心208的自然的最高点。因为捕获气体216沿着膜206的底部迁移，膜206的部分相反于由重物212、沉积物和固定膜206的其它结构所施加的力被抬起。膜206的中心208也被抬起以定义在膜206的中心208处的收集的和捕获的气体216的储存器230(具有用虚线表示的捕获气体216的底部)。在具体的实施例中，包含捕获气体216的储存器230的膜206的位置可有比膜206的其他部分较大的弹性(和/或由加固网提供的保留保护构件)，以扩大而容纳捕获气体216，或者提供具有特定的形状的储存器230。膜206包括膜出口或位于或靠近抬起膜206的最高点210的提取口232，以便是在中心部分201从底层海底202和从扰动沉积物的足够距离，这可能是呈现在或靠近中心的膜206的208。

提取管或导管234被接合至膜出口端口232并被配置为维持膜206内的膜206升高与捕获的气体216与储存器230连通。提取管234具有第一，例如，接合至膜206的下部236和第二，例如，位于、靠近或在海洋表面240之上的上部238，以便提供捕获气体216从储存器230到表面240的通道。在图2B所示的另一个实施例中，提取管234在下部236的一端242被关闭，管234通过膜出口端口232，以使管端242被嵌入在海底202以提供提取管234和膜206的稳定性，且一个或多个管开口244位于膜出口端口232附近的提取管234的一侧。开口244允许捕获气体216从储存器230进入提取管234。管下部236或管开口244可以具有控制储存器230和提取管234的内部之间的通信的阀245。传感器(未示出)可以提供关于在储存器230中的组分、压力、温度和/或成分的量；通过阀门245的流量；和/或捕获气体216的其它物理和/或化学特性的数据。

当在管下端236的阀245被打开时，在储存器230中的捕获气体216是在等于周围海洋环境的压力下，其在图2的代表性实施例中至少约30巴(450磅)。现在参照图2，伴随有冰颗粒和其它碎屑的捕获气体216会向上行进通过提取管234，一般作为朝向海洋表面240的加压气体250，从而用以相当大的速度被迫向上的气体填充提取管234。加压气体250被定向到功率提取装置252(例如，涡轮发电机)，以将电力提供给其他系统或子系统。在至少某些实施例中，提取管234的尺寸可以被配置成便于具有或没有液体或固体的元素的加压气体250的通道，例如通过使提取管直径234足够大以使由上升的加压气体250所抬起的液体或固体分解或回落到储存器230。图2C示出了代表性的提供液体和固体返回到海底202的通道的次级储存器231。在另一个实施例中，提取管234可以被配置为具有足够小的内直径，以允许当加压气体250在提取管234中上升时的加压气体250的通道或容器(在图2C中不可见)之间的被捕获的液体或固体的通道。

如图2的示意性示出，提取管234的上部238可耦合到所述工件取出装置252。从设备252排出的流可被引至额外的涡轮机254，其膨胀并提取气体250的流量的功。涡轮机254可接合到发电机256以提供电力给安装在支撑结构300上的组件，或给其它系统组件提供动力。控制器258从各种传感器(未示出)接收信息，并且控制阀245(图2B)和252、涡轮机254、发电机256和/或其它系统部件的操作，以便提供加在期望的压力的压气体250和当气体在出口端口260退出从涡轮机254的流速。在从入口端口262进入涡轮254之前，在上管端238和涡轮254之间的导管264引导加压气体250通过过滤和分离单元266。过滤和分离单元266分离物质用于收集，并移除通过上部238输送的异物(例如水、沉积物、碎片和细菌)，以使得相对干净的加压流体250被输送到涡轮机254。过滤和分离单元266的第一排出口267为从加压气体250分离出的碎片，细菌和有机物质提供出口，以及第二出口269为从加压气体250分离的水提供出口。过滤和分离单元266的第三出口268提供洁净的加压气体250到涡轮254，并且可以，此外，直接提供加压气体250到储存槽271，其中甲烷和任何其它可能混杂甲烷的气体可被存储。在另一个实施例中，加压的甲烷气体保留了大约2摄氏度的洋底温度，并且可以提供以冷却例如，在含有由一个或多个TCP反应器产生的氢的储存罐中的氢。

在膨胀气体在涡轮机出口260从涡轮机254排出之后，它被路由通过管道270到三通阀272被控制以将气体引向一个或多个TCP反应器的涡轮机出口260。如图2中所示，第一TCP反应器280被配置为处理提供了第一供体物质的第一气体组合物和第二TCP反应器282被配置为处理提供了第二供体物质的第二气体组合物。与管道270连通的气体组分传感器284提供数据到控制器258关于加压气体250的组成，并且控制器258路由气体至第一或第二TCP反应器280和282。在图2的代表实施例中，第一气体组分是相对纯的或仅具有微量的其它气体的甲烷，以及第二气体组分为甲烷和二氧化碳的混合物。气体组分传感器284可以相应地包括二氧化碳传感器。据认为，某些感兴趣的区域200(例如，那些缺乏细菌或可消化有机物)，将提供纯的或接近纯的甲烷和水，而其他具有在消化有机材料的过程中的相当数量的细菌的感兴趣的区域将提供甲烷、水和二氧化碳的混合物。进一步认为，特定感兴趣的区域200可以提供气体组分，该气体组分由于影响有机分子的可用性和/或生产菌的甲烷和/或二氧化碳的活性的季节性变化，而在第一和第二气体组合物之间进行变化。在图2所示的代表性实施例中，第一TCP反应器280被配置为处理甲烷以产生碳和氢，以及第二TCP反应器282被配置为处理甲烷和二氧化碳以产生碳、氢、甲醇等。用于产生甲烷的代表反应器和方法，将在2011年2月14日提交的美国专利申请号13/027，060，标题为“REACTOR VESSELS WITHPRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCINGHYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”中进行更详细的描述，该申请通过引用被并入本文。

现在参照图2D，在其它实施例中，控制器258可以路由气体到选定的TCP反应器(例如，响应于用户命令和/或传感器信号)，以及选定的TCP反应器所需的供体物质可以通过使用来自补充气体储存器287的补充气体286补充加压的气体250来提供。例如，纯加压的甲烷气体可与二氧化碳补充气体286一起被提供给第二TCP反应器282，二氧化碳补充气体286在补充气体入口288与甲烷混合。在另一个实施例中，补充气体286在端口289被直接提供给第二反应器TCP。

如图2和图2D所示，第一和第二反应器TCP280和282产生氢和/或通过管道291送到氢存储罐290的含氢成分。存储罐290可位于支撑结构300或在陆地上。在图2D中所示的另一个实施例中，氢的一部分被发送到合成器292，其结合氢和来自诸如周围空气的氮以产生氨或尿素。在又一实施例中，氢可被其它元素和/或化合物和/或它们的混合物合成。

在代表性实施例中，在海底202从冰冻的甲烷水合物释放甲烷气体的过程可以由感兴趣的区域200的升温增强。如图3所示，膜206被耦合到变暖管或任选绝缘导管302，其可提供相对较暖的地表水的流入，例如，通过自然的热梯度提供或从膜206下采取，该膜具有例如4-12摄氏度以上的温度。如图所示，暖的地表水从表面240通过变暖导管302泵送至膜206的周边区域，例如，以一距膜206的中心208的距离。暖的地表水被分布在海底202的表面上以局部提高笼形化合物(例如，甲烷水合物)和水与膜206下的其他内容的温度。在其它实施例中，暖的地表水可以通过在海底202上的膜206下放置的分配管道的网络来分发，或集成到膜206。在另一个实施例中，在暖管道302延伸到海底202以迫使热水进入沉积物形成的感兴趣的的区域200。在又一实施例中，从合适的来源(例如，地热形式)接收热量的热管的一部分被置于膜下以将热量传递到膜下的水中。热管的设计和使用的进一步的例子在2011年2月14日提交的美国专利申请号13/027，244，标题为“THERMAL TRANSFER DEVICE ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”中进行描述，并且该申请通过引用并入本文。

在图3所示的另一代表性实施例中，暖的地表水304由被安装在支撑结构300的泵306泵入暖导管302。暖的地表水304可以通过太阳能来进一步加热并在放置在海洋表面240上的膜308下保存。膜308(其可以包括多个元素以形成整体的组合件)起到作为屏障以抑制地表水304的蒸发的作用。与蒸发地表水304相关的相位变化可以冷却暖的地表水304。因此，膜308可以抑制蒸发和/或捕集太阳能以促进用于加热地表水的太阳能增益。在本实施例中的一个特定方面，膜308发送太阳光谱的频率但阻挡较长波长的红外频率或者膜是深色或黑色的以促进吸收太阳光，并进一步促进对地表水304进行升温。在图3所示的另一个实施例中，膜308的边缘310被减小以包围暖的地表304的区域的两侧，从而抑制通过洋流和波浪作用分散暖的地表水304。在另一个实施例中，气体通道或单元308a、308b、308c被掺入到薄膜308并可填充有甲烷或二氧化碳(例如，从发动机排气中或从海底收集的)来创建辐射单向阀，其提高至地表水304的太阳能增益。用于从暖的地表层水管理和提取能量的系统的进一步细节在共同未决的美国申请号13/_________，(代理人案卷号69545.8612US1)，标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING SUPPLEMENTALAQUEOUS THERMAL ENERGY”中进行了描述，其与本申请同时提交并且通过引用并入本文。

在图4所示的另一个实施例中，附近的地热的热源400被存取以提供温水至感兴趣的区域200。如图所示，地热存取管道402被安装在地热源400，泵404通过管道406的地热加热泵送水到感兴趣的区域200以加热膜206的水。在一个周期内诸如布雷顿，兰，和/或其它已知的周期，泵404可以通过在地热热源400使用涡轮，涡轮机/发电机获得的能量来供电。在其它实施例中，一个或多个热管407被定位于提供加热的蒸气，其贡献热量至膜206下区。蒸汽冷却以产生冷凝液体或气体，其返回到在环形热交换周期的较低地热来源。

在感兴趣的区域200被加热的大多数实施例中，加热膜206下水一般是足以熔化或以其他方式导致在海底202的甲烷水合物出现故障，例如通过熔化或破裂含甲烷的冰晶体。结果是具有比海水盐度更低的水液体的释放。随着时间的推移，熔化冰水有望取代或稀释包含在膜206下的海水，由此提供新鲜或低盐度水源。如上参照图2所述，提取导管234的尺寸可以提供水到支撑结构300，和/或在提取导管234中上升的甲烷气体的容器之间。水，在输送到过滤和分离单元266之后，再传递到冰水存储罐(未示出)，以便进一步处理作为淡水源。在另一个实施例中，新鲜的水可以被添加到暖的地表水304的区域以置换海水。被包含在图3所示的膜308下的累积淡水被预期为比海水浮力更大或比海水密度更小，这可能会抑制暖的地表水304和位于下方的冷却器海水之间的混合。在其它实施例中，通过薄膜308的操作而被加热的水由一个或多个单元或通道308a、308b、308c(以虚线示出)和/或其它层(例如膜)从海水分离，该膜提供两个水化学作用之间的绝缘空气、甲烷或二氧化碳以使较高温度的水进行循环以加热膜206下的物质。

图5示出了适于从水生环境中提取和处理成分(例如，甲烷水合物)的系统500。系统500可以包括容器内的浮动工厂502和从在海洋底部的气体水合物沉积物504中提取甲烷的收获附属物519。所提取的甲烷可转化成被用来产生如上所述的各种有价值的产品的碳材料和氢。可以移动的拾取钟506可在收获附属物519的前端被提供，其提供具有甲烷减压的通道并通过由热分配器511加热气体水合物沉积物504诱导甲烷和其他气体水化物的释放。加热在海底的气体水合物以释放甲烷是通过多种技术的组合作出的，所述技术包括使用暖的地表水，其中泵507传送地表水通过管道509到钟506内的加热分配器511，其中它加热在钟下的区域中的气体水合物。来自工厂操作的额外的热量可以被添加到暖的地表水以用于这一目的。在加热气体水合物至足以释放甲烷后，变暖的水由气液分离器组件排出，气液分离器组件包括向下打开的百叶窗512、环形护罩514、和甲烷回收引向器516。

可移动的拾取钟506是甲烷和其他气体水合物的主要收集器，通过气体水合物沉积物504的加热被释放。甲烷回收的至少两个区域与收获附属物519一起被提供。主要的甲烷捕获区551对应于可移动拾取钟(或主收集器)506下的区域，其中来自热分配器511的热水传递热量给水合物沉积物504以启动甲烷的释放并由主水合物管道508摄取。次捕获区552包围主甲烷收集区551，并对应于在柔性边缘(或二次集电极)580下的区域，其防止在钟远离在水合物沉积收获区域内的主甲烷捕获区551之后的继续释放的甲烷的逃逸。释放得太慢以在主收集区551中被捕获并在主收集区551的移动的后面的区域发现的甲烷被在柔性边缘580下的次甲烷捕获区552内捕获并由次水合物收集导管582和引向器出口584收集。

柔性边缘580也可以作为动荡缓冲器以防止淤泥和杂物被来自热分配器511的热水的流动所扰乱。夹带在向上流动到分离器512的水中的淤泥被由返回分配器(如环形护罩514)返回到海底，并且可以通过射流被引导(下面参照图6进行描述)至在合适位置的海底的沉降区域，通常远离水合物收获的区域。

由钟506和边缘580捕获的甲烷然后移动并向上扩展通过朝向发动机510的管道。发动机510可以是任何适当的发动机来推进容器，包括但不限于，涡轮发电机、涡轮机或内燃机。

发动机510通过扩大经由管道508、582朝向工厂移动的收获的甲烷供电。相当大的能量通过单独扩大甲烷或与其它天然剂，例如水，水蒸汽和风力组合地扩大甲烷可用于转化为动力。这样的动力可被用于推动或以其他方式促进水中容器的运输或移动。由发动机510产生的能量提供热量和/或泵送可被用于通过热分配器511进一步加热传送到水合物沉积物的水的能量的重要的回收。新颖的热量来自地表水的热力循环被执行，地表水比海底的水可能热10°到30°，海底的水被用于从海底的水合物释放甲烷。释放甲烷提供了比水蒸汽高得多的热质量和密度、膨胀介质，事实水蒸气通常用在分压海洋热能循环或OTEC系统中。这使发动机510要小的多，并且系统会比在海洋环境中的相同的条件下工作的常规OTEC系统的成本要低得多。

在操作中，释放出的甲烷通过加热水被连续地和快速地加热以达到最高的热力学性质和最高的朝向涡轮发动机510的速度。水主和次级管508、582中的水由上升的甲烷向上运送以及由向下打开的百叶窗512返回海洋。在推出的水中被捕获的甲烷是由护罩514a所回收，护罩514a流入通过向上打开的百叶窗至甲烷回收引向器516，其中回收的甲烷加入移动向上到涡轮发动机510的主级甲烷。

被考虑到的是，包括是如下所述的气体水合物的分解产物的相对新鲜的水的水的加热可以使用诸如在2010年8月16日提交的美国公开专利申请号2011/0061383且通过引用并入本文的申请中的系统来实现。在这种情况下，可选的旨在蒸发在循环中的这样的收集的水，该循环被公开为进一步的能量转换和首先与气体水合物分解一起被收集的水库存的净化。

额外加热可以通过热泵组件525来供应，特别是在具有表面和海底之间的很小温差的水中，以所需速率从水化合物的沉积物释放甲烷。热泵组件525，包括热交换器520，其中工作流体被加压以增加温度，膨胀装置522可以是阀或膨胀机，输入热交换器518，其中膨胀和冷却的工作流体是由海洋水加热，和压缩机或泵524，其压缩工作流体进入热交换器520。在一些实施例中，其中膨胀装置522是扩展器马达，优选的驱动发电机或添加动力到驱动泵524用于能源回收的目的。在其它实施例中，优选以可再生能源驱动压缩机524，例如以使用来自涡轮发电机引擎510的电力的电动机或使用从产生的甲烷提取的甲烷和/或氢气的内燃机。热交换器518可被耦合到浮动工厂容器502以展开暴露在周围暖海水区域。可替换地，一个或多个收集线或入口526可以存在以从周围的海水提供暖地表海水的供给。

在一些实施例中，为包括热泵518的浮动工厂502的组件提供动力的能量可以由从能量资源组中选定的可再生能源提供，事实能源资源组包括太阳能、风能、洋流、波浪，以及从海底正在收获的可再生甲烷中提取的氢。利用热泵524以添加热量至由太阳能加热的地表水是用于加热在低的太阳能绝缘领域找到的水的优选方法。这是因为应用到压缩机524的每单位能源，三个或三个以上单位的热量被添加到从海洋地表水收集到的热水，可实现从辽阔的海洋表面捕获的太阳能惊人的使用。另外，利用热水泵524导致以暗洋底的冷凝温度从水合物快得多的和受控的甲烷释放。

由本发明释放的甲烷和其它气体通过过滤器行列530、532、534、548、550、552分离为烃类和非烃类物质，如图5所示。每个过滤器行列提供非常低的阻抗至甲烷流，并且可以从操作单独移除用于维护而不降低系统的吞吐量。

根据另一个实施例，如图6所示，太阳能能量可以被利用产生动力并用于启动区域中的气体水合物的释放，该区域具有到达海洋表面的丰富太阳辐射。在一个优选的实施例中，一些实施例，太阳能被利用来加热引擎发电机和光伏阵列以产生电力并提供太阳能装置600到光束集中的太阳能到洋底，以用于加热水合物并释放甲烷至成钟606的目的。参照图6，太阳能装置600可以包括太阳能收集器654，其以一入射角集中和传送光，该入射角使用具有高反射壁有效地传送光透过光导管656以直接地提供太阳能的高强度的输送至甲烷释放都需要的领域。光到海底的传递，而不是通过热分配器的输送的热水，提供了引起淤泥和杂物的较少干扰的优势。

光导管656还可以包括高度透明的介质(诸如玻璃或引导太阳能到海底的塑料)的光管656a。这两种类型的光管656a可以使用人工光源和抛物面反射器组件658以根据需要补充和/或更换太阳能。合适的光源包括辐射源(诸如燃烧氢气或甲烷的催化加热器)以提供主要的红外输出、具有产生可见光谱中的相当量的光的氧化钍和稀土的地幔燃烧器、白炽灯、荧光灯、汞蒸气灯、钠蒸气灯、硫蒸气灯和许多其他合适的人工光源。光管的最终分布和密封是通过如钟606内所示的光分布器660的阵列。根据本实施例从气体水合物沉积物中释放甲烷气体的太阳能利用可以单独使用或如上述那样与热分配器611组合使用。

4.进一步代表反应堆

下面的部分描述了代表性的反应器和相关联的系统，其可以单独使用或以任何种类的合适组合使用以用于进行参照图1-6的上述描述的过程中的一个或多个。特别是，在下面的章节中描述的系统的任何适当的部件可以代替或补充在前面的章节中描述的合适的组件。

在一些实施例中，反应物可以在局部范围内获得，反应可以在局部范围内进行，以及产物可以被用于局部范围以产生局部化的结果。在其它实施例中，反应物、反应、产品和过程的整体效果可以有更大的效果。例如，技术可以有大陆和/或超大陆范围。在具体实施例中，技术可以部署以保护多年冻土的广大区域，在大陆范围，以及或者位于保留区近海的生态系统。在其他实施例中，技术可以离岸进行部署以在大片海水上产生效果。在进一步的实施例中，技术可以被部署在移动系统上，该移动系统传达本技术的优势制世界各地广泛的领域。

一般而言，所公开的反应器分解、改造和/或再进化供体材料(反应物)成多个组分(例如，第一组分和第二组分)。下面描述的代表性的反应器的特定方面在特定的反应物和产物的上下文中被描述，例如，含氢和碳供体、含氢产品或成分，以及含炭产物或组分。在所公开的技术的某些其它实施例中，相同或相似的反应器可被用于处理其他的反应物和/或形成其他产品。例如，非氢的原料材料(反应物)被用于在至少一些实施例。在具体实例中，二氧化硫可以在非燃烧热反应器进行处理以产生硫和氧和/或二氧化碳可以被处理以产生碳和氧。在许多这些实施例中，由此产生的分解产物可以包括结构构建块和/或基于氢的燃料或其他分解的组分。所述结构构建块包括：可以被进一步加工以生产架构构造体的组合物。例如，所述结构构建块可以包括由离解过程产生的化合物或分子，且可以包括碳、各种有机物(如甲基、乙基或丁基或者各种烯烃)、硼、氮、氧、硅、硫、卤素和/或过渡金属。在很多实施例中，所述构建块元素不包括氢。在一个具体实施例中，离解甲烷，以形成氢(或其他含氢成分)和碳和/或二氧化碳和/或一氧化碳(结构构建块)。所述碳和/或二氧化碳和/或一氧化碳可以被进一步加工，以形成聚合物、石墨烯、碳纤维和/或另一种架构构造体。所述架构构造体可以包括从多种合适的元素中的任一种形成的自组织的结构(例如，晶体)，所述元素包括上述的元素(碳、氮、硼、硅、硫和/或过渡金属)。在这些实施例中的任一个中，所述架构构造体可以形成耐用品，例如，石墨烯或碳复合材料和/或其它结构。

许多实施例被在烃(例如，甲烷)的背景中进行了描述。在其它实施例中，合适的含氢原料(如，反应物)包括硼烷(例如，乙硼烷)，硅烷(例如甲硅烷)，含氮化合物(如氨)，硫化物(如硫化氢)，醇类(例如，甲醇)，烷基卤化物(如四氯化碳)，卤代芳烃(如氯苯)，和卤化氢(例如，盐酸)，等等。例如，硅烷可以被热分解以形成作为气态产物的氢和作为非气态产物的硅。当非气态产品包括硅，硅可以与氮(例如，来自空气)或卤素气体(例如，从单独的工业过程回收的)进行反应以形成有用的材料，如氮化硅(例如，作为结构材料)或卤化硅(例如，作为非结构材料)。在其它实施例中，原料材料可以反应形成仅气态产物或仅非气态产物。例如，合适的卤化氢可被热分解，从而形成作为不具有非气态产物的气态产物的氢和卤素气体的组合。在一些实施例中，气态产物可包括气体燃料(例如氢)和/或非气态产物可包括单质材料(例如，碳或硅)。在一些实施例中，系统可以被配置为在靠近原料材料的合适的来源使用。例如，系统可以被配置为在填埋场附近使用和用于处理以其他方式被燃烧或释放到大气中的甲烷。在其它实施例中，系统可以被配置为用于处理在油田的滞留气体，来自洋底或永久冻土源的甲烷水合物，和/或以其他方式被浪费掉的其他原料材料180。

在一些实施例中，非气态产物可在反应器中进一步处理。例如，非气态产物可以是能在反应器中被进一步处理以产生结构材料的结构构件块，结构材料是例如，陶瓷，碳的结构，聚合物结构，薄膜，纤维(例如，碳纤维或硅纤维)，或过滤器。非气态产物的高纯度形式可以特别适合以形成半导体器件、光学传感器，和用于光传输的细丝，等等。非气态产物也可被使用而无需进一步处理和/或可被反应以形成有用于非结构应用的材料。

在其他实施例中，碳可以用于作为结构材料或用作用于制备结构材料的反应物。例如，碳可以是反应物，用于从如以下公式R1和/或R2所示的二氧化硅中提取硅。

C+SiO₂→CO₂+Si   公式R1

2C+SiO₂→2CO+Si   公式R2

来自公式R1和R2中所示的反应的硅或作为非气态产物的硅可以被形成，例如，以粒状(例如，粉末)的形式，其可以包括受控制的量的无定形和/或结晶材料。例如，在反应器的操作温度可被编程或以其他方式控制，以控制何时，何地和/或硅是否被沉积在无定形或结晶形式。

在一些实施例中，来自系统的硅可以反应以形成卤代硅烷或硅的卤化物，如SiBrH₃、SiBrFH₂、SiBrH₃、SiBr₃H、SiCl₂H₂、SiBr₄或SiCl₄，等等。此外，来自系统的硅可以被制成各种有用的产品和材料，如来自专门形式的硅(如煅制二氧化硅)或基于专门形式的硅(如煅制二氧化硅)产生的产物，含硅的有机中间体，以及含硅基的聚合物，等等。这样的产物可以被形成，例如，使用在美国专利4，814，155，4,414,364，4,243,779,和4,458,087中公开的合适的过程，其通过引用并入本文。来自系统100的硅也可以在各种物质(如碳化硅或氮化硅)的生产中使用，例如，如公式R3所示。

3Si+2N₂→Si₃N₄   公式R3

氮化硅制品可以被形成，例如，使用被滑移浇铸、压力压缩，或者注塑成型，然后转化成氮化硅的硅粉末。所得的制品可具有密度，疲劳，耐力，电介质和/或非常适用于各种高性能应用的其他属性。硅氮化物基耐用品可以被使用，例如，在热和电绝缘组件中，所述组件具有较低的密度，并且可以以高于通常在火箭发动机、气轮机和正排量内燃机中使用的金属合金的操作温度进行操作。使用硅氮化物和/或碳组分更换这些通常消耗钴，镍，难熔金属，和稀土元素的金属合金，可以更符合发动机，燃料电池，和其他设备的生产的成本效益。

除了形成无机材料，系统可以形成各种有用的有机材料。例如，原料可包括丙烷或丙烯，其可根据公式R4和R5所示的反应在第一模式中与氨反应，以形成作为气态产物或在第二模式下电解解离的丙烯腈和氢以生成电。

C₃H₈+NH₃→CH₂＝CH-C≡N+4H₂   公式R4

CH₃-CH＝CH₂+NH₃→CH₂＝CH-C≡N+3H₂   公式R5包括丙烯腈的气态产物的随后处理可以包括反应丙烯腈以形成聚合物，橡胶，碳纤维，和/或非常适用于在耐用品中的其它材料(例如，利用太阳能，风能，流动的水，或地热能的设备)。因此，使用系统的处理丙烷或丙烯的总能量可显著比简单的燃烧更加有利。此外，在某些情况下，使用该系统处理丙烷或丙烯可以产生很少或不产生有害的污染(例如，环境释放的二氧化碳，氮的氧化物，或颗粒)，或相对于简单燃烧的显著较少的有害污染。

在一些实施例中，来自系统操作的一种或多种化学反应产物可以被用来形成在耐用品中使用的电介质材料。例如，反应产物可用于形成聚合物(例如，聚酰亚胺，聚醚酰亚胺，聚对二甲苯，或含氟聚合物)和/或无机介电材料(例如，二氧化硅或氮化硅)，其可以掺入到聚合物基的奈米不导电材料(nanodielectrics)。无机和有机材料(一种或两者都可以由系统的操作而产生)的复合材料可以提供相对较高的介电性和具有弹性的机械强度。这样的材料可以是适合于在一个宽的温度范围使用，例如温度范围从低温温度(例如大约200℃)来加热发动机的排气温度(例如，约500℃)。在其它实施例中，反应产物可以被用于形成无机无定形碳、氧氮化硅、氧氮化铝或其它合适的材料的膜。在一些实施例中，该系统可以具有双束沉积物和/或网状处理能力有用于处理适当的化学反应产物(例如，以形成无定形或结晶的碳膜)。

在至少某些实施例中，氮气可以得到作为产物或废气流。氮可以与氢结合而生成氨和/或可以以其它方式处理以形成其他有用的材料，如氮化硅，氮化铝，氮化硼，氮化钛，氮化锆，TiCSi3N4，和/或合适的塞隆。

虽然以下代表性反应器和相关组件、设备和方法的任何一个或多个可以与上述系统结合使用，在这样的实施例中的某些反应器可以尤其具有协同和/或其他有益的效果。例如，在标题4.3以下描述的一个或多个热管可被用来传输地下热源和表面之间的流体和热量以促进甲烷的离解或再进化或另一个氢供体。在收获甲烷水合物的过程的情况下同样收获可离解成氢或氢化合物的含氢固体，在标题4.4下的下述类型的太阳能输送带可以被使用。一个或多个太阳能聚集器可被定位在表面上以提供热量至在标题4.5下的下述方式的反应器。前述太阳能聚集器的一个或多个可以被用来以在标题4.8下的下述方式执行个吸热反应和放热反应。

4.1具有透射表面的代表性反应器

图R1-1是包括反应器1110的代表性系统1100的部分示意图。所述反应器1110进一步包括反应器容器1111，该反应器容器111包围或部分地包围反应区1112。反应器容器1111具有一个或多个透射表面(transmissive surface)，所述可透射的表面设置成促进在反应区1112内发生的化学反应。在一个代表性的实施例中，反应器容器1111接收氢供体，所述氢供体由供体源1130提供至供体入口1113。例如，氢供体可以包括含氮化合物如氨或含化合物的碳和氢，例如甲烷或其它烃。氢供体可以在进入反应区1112之前适当地被过滤以去除污染物(如硫)。在反应器容器1111内的供体分配器或歧管1115将氢供体分散或分配进反应区1112中。所述反应器容器1111也经由蒸汽入口1114接收来自蒸汽/水源1140的氧供体如醇或蒸汽。在反应器容器1111中的蒸汽分配器1116将蒸汽分配进反应区1112中。所述反应器容器1111可以另外包括加热器1123，所述加热器1123为反应区1112提供热量，以促进吸热反应。这样的反应可以包括：解离如含氮化合物的化合物，或者包含氢和碳的化合物(例如，甲烷或其它烃)成氢或氢化合物和碳或碳化合物。反应产物经由出口1117离开反应器容器1111，并收集在反应产物收集器1160a处。

系统1100可以另外包括辐射能和/或其它反应物的源1150，所述源1150向反应器容器111内的通道1118提供成分。例如，辐射能源/反应物源1150可以包括燃烧室1151，所述燃烧室1151向通道1118提供热燃烧产物1152，如箭头A所示。燃烧产物收集器1160b收集离开反应器容器1111的燃烧产物，用于进一步再利用和/或其它用途。在一个具体实施例中，燃烧产物1152可以包括热的二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和/或其它成分。一个或多个可透射的表面1119位于反应区1112(其可以环状地设置在通道1118周围)和通道1118的内部区域1120之间。可透射的表面1119因此可以允许辐射能和/或化学成分从通道1118沿径向向外进入反应区1112，如箭头B所示。通过递送由燃烧产物1152的流提供的辐射能和/或化学成分，系统1100可以增强发生在反应区1112中的反应，例如，通过增加反应区温度和/或压力，并因此增加反应速率和/或反应的热力学效率。类似地，化学成分(例如水或蒸汽)可再循环或以其他方式从通道1118加入以替换被消耗在反应区1112中的水或蒸汽。在该实施例的一个具体方面，由源1150所提供的燃烧产物和/或其他成分可以是来自另一种化学过程(例如，内部燃烧过程)的废物。因此，除了促进在反应区1112处的反应以外，前述过程因此可以再循环或再利用否则会被浪费的能量和/或成分。

透射表面1119的组成和结构可以被选择以允许辐射能从通道118的内部区域120容易地传递至反应区112。因此，可透射的表面119可以包括玻璃或其它材料，其他材料对在其它波长的红外能量和/或辐射能是透明的或至少部分透明的，这有利于促进在反应区1112中的反应。在许多情况下，辐射能量是存在于燃烧产物1152中的作为燃烧过程的固有结果。在其它实施例中，操作者可以引入添加剂到燃烧产1152的数据流以增加从流中提取的并以辐射能量的形式传递到反应区1112的能量的总量。例如，燃烧产物1152可以用钠，钾和/或镁进行接种，从而可以从燃烧产物1152吸收能量并向外辐射能量穿过透射面1119。在具体实施例中，反应区1112的壁可以是暗和/或可以具有利于拉伸辐射能进入反应区1112的其他处理方法。然而，通常希望避免形成颗粒和/或焦油，这可能是更容易在黑暗表面上形成。因此，在反应区1112上的温度和黑暗电平可以被控制/选择以产生或防止焦油/微粒的形成。

在具体实施例中，在反应区中进行的过程包括调节过程以产生变暗的辐射接收器区域，例如，通过首先将热量提供给反应区1112的特定区域。在这些区域已被充分加热以导致离解之后，含有碳的少量氢供体被引入以导致富碳材料的碳沉积或沉积。这样的操作根据需要被重复以按需恢复变暗的区域。

在本实施例的另一个具体方面，过程可以进一步包括防止不希望的固体或液体(如通过碳供体的离解产生的颗粒和/或焦油)在一定的区域和/或阻断通道(包括入口端1113和分配器1115)形成。这可以通过从加热器1123和/或透射面1119提供热量至氧给体(如蒸汽)以加热氧供体来实现。当氧供体被充分加热时，它可以提供所需的吸热，并与碳供体进行反应而不允许形成粒子或焦油。例如，碳供体(如甲烷或其他含碳和氢的化合物)从蒸汽接收热量以形成一氧化碳和氢气，从而避免不希望的颗粒和/或焦油的形成。

如上面所指出的，燃烧产物1152可以包括蒸汽和/或可能在反应区1112中充当反应物的其它成分。因此，可以生产可透射的表面1119，除了允许辐射能进入反应区1112中以外或作为替代，选择性地允许这样的成分进入反应区1112。在一个具体实施例中，可透射的表面1119可以从碳晶体结构(例如，分层的石墨烯结构)形成。基于碳的晶体结构可以包括间距(例如，在取向为与流动方向A横切的平行层之间)，仔细地选择所述间距，以允许水分子穿过。同时，可以选择所述间距，以防止在反应区1112中生产的有用的反应产物离开反应区。合适的结构和相关方法在2011年2月14日提交的未决的美国专利申请号12/857，228，标题为“ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE APLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS”被进一步公开，且该申请通过引用并入本文。用于形成透射表面1119的结构可以是碳基，如上面所讨论的，和/或可以基于能够形成自组织的结构或能够修改1119的表面来传递或重新辐射特定辐射的频率，和/或块或经过选择的分子。这样的元件可以包括过渡金属，硼，氮，硅，硫，等等。在特定实施例中，透射表面1119可以包括被选择为一波长重新辐射能量的再辐射材料，所述波长特别可能由在反应区1112中的一个或多个反应物吸收。反应区1112的壁可以包括除了或代替提供这种处理至的透射面1119的这样的材料处理。这样的结构、材料和处理的进一步细节将在第4.2节中被公开如下。

系统1100可以进一步包括控制器1190，所述控制器1190接收输入信号1191(例如，来自传感器)，并至少部分地基于输入信号1191来提供输出信号1192(例如，控制指令)。因此，控制器1190可以包括合适的处理器、存储器和I/O能力。控制器1190可以接收与测量的或感知的压力、温度、流量、化学浓度和/或其它合适的参数相对应的信号，且可以发出控制反应物递送速率、压力和温度、加热器激活、阀门设置和/或其它合适的主动可控参数的指令。操作人员可以提供额外的输入，以修改、调节和/或废除由控制器1190自动执行的指令。

从石墨或其他的晶体结构形成的透射表面1119的一个特征是，它可以允许辐射能量和有用的成分(例如，水)通入反应区1112。在特定实施例中，石墨烯层之间的间距可以选择为以趋于在反应区1112优选地呈现氧原子的方式“挤压”或以其他方式定向水分子。因此，使用氧气(例如，氧化或氧化步骤)反应的那些部分可以会相对更容易进行。其结果是，这种机制提供用于促进来自氢供体和水(和/或其它反应物)的离解元素或化合物的过程，和重整合适的最终产物的进一步的途径。

图R1-2是反应器1310的部分示意的，局部剖视示意图，反应器1310包含由位于导管1322的三个环形(例如，同心)构成的容器1311。因此，反应器1310可以以连续流的方式操作。如本文所用，“连续流”通常是指反应物和产物可以连续地提供至反应器容器并从反应器容器除去而无需停止反应以用反应物重新加载反应区的过程。在其它实施例中，反应器1310可以以批处理方式操作，在其间反应物被间歇地供给到反应区以及产物被间歇地从反应区中除去。三个导管1322包括第一或内导管1322a，第二或中间通道1322b和第三或外部管道1322c。第一导管1322a限定燃烧产物通道1318，并相应地具有燃烧产物1152通过的内部区域1320。第一导管1322a具有辐射能量在径向向外的方向上(如箭头B所示)通过的第一透射表面1319a。在该实施例的一个具体方面，第一导管1322a和第二管道1322b之间的环状区域容纳加热器1323，以及第二管道1322b和第三导管1322c之间的环形区域中容纳反应区1312。加热器1323与来自燃烧产物1152的辐射热一起提供热至反应区1312。因此，第二管道1322b可包括第二透射面1319b，其允许来自燃烧产物1152和加热器1323的辐射能量径向向外传递到反应区1312。在本实施例的一个特定方面中，第一透射面1319a和第二透射面1319b不被传播到燃烧产物1152的化学成分，为了避免燃烧产物1152和加热器1323之间的接触(例如，腐蚀性或其它有害的接触)。在另一个实施例中，加热器1323可以以一方式被制造(例如，用适当的涂层、处理、或其它特征)，该方式保护化学成分通过第一和第二透射面1319a、1319b。在又一实施例中，加热器1323可以被从反应区1312向外定位。在任何这些实施例中，加热器1323可以包括电阻加热器，感应加热器或其它合适的设备。在至少一些实例中，加热器1323通过燃烧在反应区1312产生的氢气的一部分被供电。在其它实施例中，燃烧是在反应器本身中执行，例如，第二管道1322b作为气体地幔用于以一频率来辐射能量，该频率被选定为加速反应区1312中所希望的反应。

在任何前述实施例中，反应区1312可以容纳一个或多个蒸汽分配器1316和一个或多个氢供体分配器1315。每个分配器1315、1316可以包括允许化学反应物进入反应区1312的孔1324和/或其它的孔、开口或通道。供体分配器1315、1316可以包括一个或多个螺旋形的管道，包括，例如，以编织方式布置的管道在轴向、径向和圆周方向上均匀分配反应物进入反应区。反应区1312被第三导管1322c限制，第三导管1322c可以具有绝缘的反应器的外表面1321以保存反应区1312内的热量。在操作过程中，发生在反应区1312的反应可以通过调整蒸汽与氢供体进入反应区1312的速率；热进入反应区1312的速率(通过燃烧产物通道1318和/或加热器1323的)和其他变量(例如，包括在反应区1312中的压力)来控制。合适的传感器和控制反馈环路自主执行这些过程，具有可选的控制器介入，如上面参照图R1-1所描述的。

具有透射面的合适的反应器的更进一步的实施例在2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/026，996中公开，以及该申请通过引用并入本文。

4.2与再辐射元件代表反应堆

图R2-1是根据本发明的实施例的系统2100的局部示意图，系统2100包括具有一个或更多可选择(例如，重新辐射)表面的反应器2110。反应器2110还包括具有包围或部分包围反应区2112的外表面2121反应容器2111。在一个有代表性的例子中，反应容器2111接收到供体源2101提供的氢供体至供体进入口2113。例如，氢供体可以包括甲烷或其他碳氢化合物。反应器容器2111内的供体分配器或歧管2115分散或分布氢供体进入反应区2112。反应器容器2111还通过蒸汽进入端口2114从蒸汽/水源2102接收蒸汽。在反应器容器2111中的蒸汽分配器2116分配蒸汽进入反应区2112。反应器容器2111可以进一步包括供给热至反应区2112以促进吸热反应的加热器2123。这种反应可包括解离甲烷或其它烃类成氢或氢化合物以及碳或碳的化合物。反应的产物(例如，碳和氢)通过出口2117离开反应器容器2111并在反应产物收集器2160a被收集。

系统2100还可以包括辐射能量和/或另外的反应物的源2103，其提供成分到反应器容器2111内的通道2118。例如，辐射能/反应物源2103可以包括提供热燃烧产物2105到通道2118的燃烧室2104，如箭头A所示。在特定实施例中，通道2118相对于通道中心线2122是同心的。在其它实施例中，通道2118可以具有其它的几何形状。燃烧产物收集器2160b收集排出反应堆容器2111的燃烧产物用于进行回收和/或其他用途。在一个特定的实施例中，燃烧产物2105可以包括一氧化碳，水蒸汽，以及其他成分。

一个或多个再辐射元件2150被定位在反应区2112(其可环形地布置围绕通道2118)和通道2118的内部区域2120之间。再辐射元件2150可以相应地从通道2118吸收入射辐射R并引导再辐射能量RR进入反应区2112。再辐射的能量RR可以具有波长谱或更接近的匹配、方法、重叠和/或对应于至少一个反应物和/或至少一个所得到的产品的吸收光谱的分布。通过以一个有利移动波长传递辐射能量，系统2100可以加强发生在反应区2112中的反应，例如，通过增加由反应物吸收的能量的效率，从而增加了反应区的温度和/或压力，因此，反应速率，和/或反应的热力学效率。在该实施例的一个具体方面，由源2103所提供的燃烧产物2105和/或其他成分可以是来自另一种化学过程(例如，内部的燃烧过程)的废物。因此，除了促进在反应区2112的反应，上述过程可以回收或重复使用否则将被浪费掉了的能量和/或成分。

在至少某些实施例中，再辐射元件2150可与透射表面2119结合使用，和/或集成在一起，透射表面2119允许化学成分(例如，反应物)容易地从通道2118的内部区域2120通过至反应区2112。代表性透射面的进一步细节在标题4.1下讨论如上。在其它实施例中，反应器2110可包括一个或多个再辐射元件2150而还不包括透射表面2119。在任何这些实施例中，存在于燃烧产物2105的辐射能量可以作为燃烧过程的固有结果。在其它实施例中，操作者可以引入添加剂到燃烧产物2105的流(和/或产生燃烧产物的燃料)以增加从该流中提取的和以辐射能形式传递到反应区2112的能量的量。例如，燃烧产物2105(和/或燃料)可用钠，钾和/或镁接种，其可以从燃烧产物2105吸收能量并以所期望的频率向外辐射能量进入反应区2112。这些发光体的添加剂可以在除了再辐射元件2150被使用。

图R2-2是呈现吸收作为代表反应物(例如甲烷)和有代表性的再辐射元件的波长的函数的曲线图。图R2-2示出了反应物吸收光谱2130，其包括多个反应物的峰值吸收率的范围2131，其中的三个在图R2-2中被突出显示作为第一、第二和第三峰值的吸收范围2131a、2131b、2131c。峰值吸收范围2131表示反应物比光谱2130的其他部分吸收更多能量的波长。光谱2130可以包括在特定范围内的峰值吸收波长2132，例如，第三峰值吸收范围2131c。

图R2-2还示出了具有第一峰值波长范围2141a的第一辐射能量光谱2140a。例如，第一辐射能量光谱2140a可以代表来自上述参照图R2-1的燃烧产物2105的发射。在辐射能量被吸收和由如上所述的再辐射元件2150再发射之后，它可以产生具有第二峰值波长范围2141b的第二辐射能量光谱2140b，其反过来又包括一个再辐射峰值2142。总体而言，再辐射元件2150的函数是把辐射能的光谱从第一辐射能量光谱2140a和峰值波长范围2141a转移到第二辐射能量光谱2140b和峰值波长范围2141b，如箭头S所示。作为转移的结果，第二峰值波长范围2141b比第一峰值波长范围2141a接近反应物的第三个峰值吸收范围2131c。例如，第二峰值波长范围2141b可以与第三峰值吸收范围2131c重叠并且在特定实施例中，再辐射峰值2142可以是在或约在同一波长作为反应物的峰值吸收波长2132。在这种方式下，再辐射元件更接近地排列辐射能与反应物有效地吸收能量的频谱的峰值。用于执行此函数的代表结构被在下面参照图R2-3进行进一步详细的说明。

图R2-3是2110以上参照图R2-1的反应器的一部分的部分示意的放大截面图，具有根据特定的技术的实施例配置的再辐射元件2150。再辐射元件2150被定位在通道2118(和在通道2118的辐射能量R)和在反应区2112之间。再辐射元件2150可以包括形成隔开结构2158的材料的层2151，其反过来承载再辐射材料2152。例如，层2151可包括石墨烯层或其它晶体或由合适结构构件块元素(如碳，硼，氮，硅，过渡金属，和/或硫)制作的自定向层。碳是特别合适的成分，因为它是相对便宜和容易获得的。事实上，它是反应的目标输出产物，其可以在反应区2112内被完成。合适的结构的进一步细节在先前通过引用并入本文的共同未决的美国申请号12/857，228中被公开。每个结构2158可以以间隙2153从其相邻结构分离。间隙2153可以通过在邻近结构2158之间间隔器2157维持。在特定实施例中，结构2158之间的间隙2153可以是从约2.5微米至约25微米宽。在其它实施例中，间隙2153可以具有其它值，这取决于，例如，入射辐射能量R的波长。间隔器2157被定位在间隔开的位置，所述位置在图R2-3的平面内和垂直于图R2-3的平面，以便不阻碍通过组件2150的辐射和/或化学成分的通道。

该辐射能量R可包括通常平行排列于隔开的层状结构2158，并相应地通过间隙2153完全穿过再辐射元件2150并进入反应区2112而不接触再辐射材料2152的第一部分R1。辐射能源R也可以包括撞击再辐射材料2152，并且相应地重新发射作为重新发射部分RR进入反应区2112的第二部分R2。反应区2112可以相应地包括具有不同的能量光谱和/或不同的峰值波长范围的辐射，这取决于入射辐射R是否冲撞再辐射材料2152。在反应区2112中的能量的这样的组合对于至少一些反应可以是有益的。例如，较短的波长，辐射能量的更高频率(较高能量)部分可以促进在反应区2112发生的基本反应，例如，解离在蒸汽的存在中的甲烷以形成一氧化碳和氢气。较长的波长，较低频率(低能量)部分能防止反应产物粘附在反应器2110的表面上，和/或可以从反应器表面分离这样的产物。在特定实施例中，辐射能量可以通过在反应区2112中的甲烷吸收，而在其他实施例中，辐射能量可以由其它反应物被吸收，例如，在反应区2112中的蒸汽，或者其产物。在至少某些情况下，最好是用蒸汽吸收辐射能量。以这种方式，蒸汽接收足够的能量以热到足以完成该反应区2112内的吸热反应，无需不必要地加热碳原子，如果他们不在分解后迅速氧化的话，其可以潜在地创造颗粒或焦油。

再辐射材料2152可包括各种合适的成分，包括碳化铁，碳化钨，碳化钛，碳化硼，和/或氮化硼。这些材料，以及形成的间隔开的结构2158的材料，可以基于包括耐腐蚀性和/或压缩负荷的各种性质上进行选择。例如，使用任何前述碳化物或氮化物加载碳结构体可以制作压缩结构。压缩结构的一个优点是，它是小于下拉力下的结构的受腐蚀性。此外，本结构(例如，上述的碳化物和氮化物)的成分的固有的耐腐蚀性能提高，因为，在压缩下，其结构是低渗透腐蚀剂，包括可以很好的形式存在作为反应区2112中的反应物的和作为在通道2118的燃烧产物2105的成分的蒸汽。前述组分可以单独使用或与磷，氟化钙和/或另一磷光材料组合使用，以便由再辐射材料2152再辐射的能量可能会被延迟。这个功能可以理顺至少一些辐射能量被供给到反应区2112的不规则性或间歇性。

另一种合适的再辐射材料2152包括尖晶石，或镁和/或铝氧化物的另一复合体。尖晶石可以提供上述的压应力，并且可以转移吸收的辐射到红外，以促进加热反应区2112。例如，钠或钾可以发射可见光辐射(例如，红色/橙色/黄色辐射)，其可以通过尖晶石或其它氧化铝的轴承材料被转移到红外波段。如镁和铝的氧化物，包括着色剂的添加剂，例如镁，铝，钛，铬，镍，铜和/或钒的组合物，存在于再辐射材料2152中，重新辐射材料2152可以具有发射辐射多个峰值，其可以反过来允许反应区2112中的多个成分吸收辐射能量。

如图R2-3中所示的再辐射元件2150的具体结构包括可以不仅允许辐射通过，但也可以允许成分通过的间隙2153。因此，再辐射元件2150也可以形成透射表面2119，其，如上文参照图R2-1所述，可通过允许反应物进一步促进在反应区2112中的反应。

具有再辐射元件的合适的反应器的进一步实施例在2011年2月14日提交的未决的以及通过引用并入本文的美国申请号13/027，015被公开。4.3与热管和热泵代表反应堆

图R3-1是根据本技术的实施例配置的热转移装置3100(“设备3100”)的示意性剖视图。如图R3-1所示，该设备3100可以包括具有输入部3104，相反于输入部3104的输出部3106，以及输入和输出部3104和3106之间的侧壁3120的导管3102。该装置3100还可以包括在输入部3104的第一端帽3108和在输出部3106的第二端帽3110。该设备3100可以围绕工作流体3122(由箭头示出)，其在气相3122a和液相3122b之间变化。

在所选择的实施例中，设备3100还可以包括一个或多个建筑结构3112。建筑结构3112是晶体的合成基质特性描述，其主要由石墨烯，石墨，氮化硼，和/或其他合适的晶体构成。这些晶体的配置和处理严重影响该建筑结构3112当遇到一定条件下将会表现出的性质。例如，如在下面进一步详细解释的那样，该设备3100可为它们的热性能，毛细性能，吸收性能，催化性能和电磁，光学和声学特性利用建筑结构3112。如图R3-1所示，建筑结构3112可排列为通过间隙3116隔开彼此的多个基本上平行的层3114。在各种实施例中，层3114可以是薄至1原子。在其它实施例中，各个层3114的厚度可以大于和/或小于1原子且层3114的宽度可以在间隙3116之间变化。制造和配置建筑结构的方法，如在图R3-1中所示的建筑结构3112，被在先前通过引用并入本文中的美国专利申请号12/857，228中进行描述。

如图R3-1所示，第一端帽3108可以被安装靠近热源(未示出)，使得所述第一端帽3108可作为汽化工作流体3122的热接口。因此，第一端帽3108可包括具有高的热导率和/或透射率的材料，以从热源吸收或传递热量。在图R3-1所示的实施例，例如，第一端帽3108包括由导热晶体(例如，石墨)制成的建筑结构3112。建筑结构3112可以被布置以通过配置层3114具有基本上平行于热量的流入的高浓度的热传导性(例如，通过层3114形成)，以增加其热传导性。例如，在图示的实施例中，层3114一般对准传入的热流，以使得热量进入层3114之间的建筑结构3112。这种配置暴露层3114的最大表面面积到热量，并从而增加了由建筑结构3112所吸收的热量。有利的是，尽管具有比金属低得多的密度，建筑结构3112可导电和/或辐射地转移比固体银，原料石墨，铜或铝的量更大的每单位面积的发热量。

如进一步在图R3-1中所示，第二端帽3110可以从装置3100排出热量到吸热装置(未示出)，以使得第二端帽3110可作为冷凝工作流体3122的冷接口。第二端帽3110，同第一端帽3108一样，可包括具有高导热性(例如，铜，铝)和/或透射率以从工作流体3122吸收和/或发射潜热的材料。因此，同第一端帽3108一样，第二端帽3110可包括建筑结构3112。然而，第二端帽3110可以传达潜热出设备3100，而不是使热量同第一端帽3108一样进入装置3100。在各种实施例中，第一和第二端帽3108和3110的建筑结构3112可以由类似的材料制成和/或被布置成具有基本相似的热导率。在其它实施例中，建筑结构3112可包括不同的材料，可以布置在不同的方向，和/或以其他方式配置成提供不同的热输送能力，包括所需的电导率和透射率。在进一步的实施例中，不是第一端帽3108也不是第二端帽3110会包括建筑结构3112。

在所选择的实施例中，第一端帽3108和/或所述第二端帽3110可包括具有不同的热导率部分。例如，接近导管3102的第一端帽3108的一部分可以包括高导热性材料(例如，被配置为促进热传导性的铜等的建筑结构3112)，以使得其从热源吸收热量和汽化工作流体3122。从导管3102隔开的第一端帽3108的另一部分可以包括更少的热传导材料以绝缘高导电性的部分。在某些实施例中，例如，绝缘部分可以包括陶瓷纤维，密封死空气的空间，和/或具有高辐射吸收率和/或低的热导率的其它材料或结构。在其它实施例中，第一端帽3108的绝缘部分可以包括布置成包括热传导通路的低浓度的建筑结构3112(例如，由大间隙3116间隔开的层3114)，以使得其具有传导传递热量的较低可用性。

在其它实施例中，基于该设备3100的尺寸，建筑结构3112的配置可以不同于图R3-1中示出的那些，在热源和吸热装置之间的温度差，所期望的热传递，工作流体3122，和/或其他合适的热传递特性。例如，具有更小的表面区域的建筑结构3112可适合于设备3100的微观应用和/或高温度差，而具有较高的表面区域的建筑结构3112可以更适合于设备3100的宏观应用和/或更高传热速率。建筑结构3112的热导率也可通过使用深色涂料涂覆层3114来增加吸热量，并用浅色涂料涂覆层3114来反射热量带走，从而减少吸热量。

仍参考图R3-1，设备3100可以通过毛细管作用返回工作流体3122的液相3122b到输入部3104。因此，导管3102的侧壁3120可以包括芯结构，其施加毛细管压力在液相3122b之上以驱动它朝向所希望的位置(例如，输入部分3104)。例如，侧壁3120可以包括纤维素，陶瓷芯吸材料，烧结或粘合金属粉末，纳米纤维，和/或其他合适的提供毛细作用的毛细结构或材料。

在图R3-1中所示的实施例中，建筑结构3112对准导管3102的纵向轴线3118并被配置成施加必要的毛细管压力以引导工作流体3122的液相3122b部分到输入3104。组合物，掺杂剂，间隔，和/或层3114的厚度可以根据需要为工作流体3122提供毛细作用的表面张力来选择。有利的是，建筑结构3112可以应用液相3122b上的足够的毛细管压力来短距离和长距离(例如，毫米至公里)驱动工作流体3122。此外，在选定的实施例中，层3114的表面张力可以被操纵，使得建筑结构3112拒绝预选流体。例如，建筑结构3112可以被配置为具有会拒绝任何液体而不是工作流体3122的液相3122b的表面张力。在这样一个实施例中，建筑结构3112可以起到防止任何其他流体而不是工作流体3122(例如，扩散进入导管3102的杂质所污染的流体)被气化冷凝循环所干扰的过滤器的作用。

在其它实施例中，建筑结构3112的选择性的毛细作用以比常规的蒸馏技术低得多的温度分离物质。通过建筑构造3112的更快的分离物质可降低或消除如果该物质达到设备3100内较高的温度所引起的物质降解。例如，在工作流体3122达到接近输入部3104的更高的温度之前，潜在的有害物质可以由建筑结构3112的选择性毛细作用从工作流体3122被去除。

管道3102与第一和第二端帽3108和3110可以使用能够承受该装置3100的温差的紧固件被密封在一起。在其它实施例中，装置3100被一体地形成。例如，设备3100可以使用一种或多种材料模制而成。真空可用于去除管道3102内的任何空气，然后导管3102可以用被选择为匹配操作温度的少量工作流体3122来填充。

在操作中，装置3100利用工作流体3122的气化冷凝循环传递热量。更具体地，第一端帽3108可从热源吸收热量，并且工作流体3122可以反过来从第一端帽3108吸收热量以产生蒸汽相3122a。工作流体3122的相位变化所引起的压力差可以驱动工作流体3122的汽相3122a以填充可用的空间，从而传递工作流体3122通过管道3102到输出部3104。在输出部3104，第二端帽3110可以从工作流体3122吸收热量以改变工作流体3122液相3122b。来自工作流体3122的冷凝的潜热可以经由第二端帽3110被转移出设备3100。在一般情况下，流入到第一端帽3108的热量基本上等于由第二端帽3110除去的热量。如在图R3-1中所示，由建筑结构3112或其他毛细结构提供的毛细作用可以将工作流体3122的液相3122b返回到输入部3104。在选定的实施例中，层3114的末端可以交错排列或成角度地向着管道3102以促进层3114之间的液相3122b的进入和/或以促进在输入部3104的液相3122b至汽相3122b的转换。在输入部3104，工作流体3122可以用蒸发冷凝循环再次蒸发并继续循环通过导管3102。

该装置3100还可以在相反的方向上操作上述汽化冷凝循环。例如，当热源和散热器被颠倒，第一端帽3108可作为冷接口和第二端帽3110可以作为热接口。因此，输入和输出部3104和3106被倒置，使得工作流体3122蒸发接近第二端帽3110，冷凝接近第一端帽3108，并且使用侧壁3120提供的毛细管作用返回到第二端帽3110。该装置3100的可逆性允许设备3100也可以不考虑热源和散热装置的位置而被安装。此外，设备3100可容纳热源和散热装置的位置可以被颠倒的环境。例如，如下面进一步描述的，设备3100可以在夏季期间在一个方向上进行操作以利用太阳能，以及设备3100可以在冬季反向所述方向以利用在先前夏季期间储存的热量。

包括在第一端帽3108和/或第二端帽3110的建筑结构3112的装置3100的实施例，每单位面积具有比常规导线更高的导热率。这种增加的热导率可以提高第一和第二端帽3108和3110之间的处理速度和温度差以产生更大的和更有效的热传递。此外，包括在第一和/或第二端帽3108和3110的建筑结构3112的实施例需要较少的表面积来吸收必要的热量以实现蒸发冷凝循环。因此，设备3100可以比传递相当量的热量的常规热管更紧凑，并提供相当大的成本降低。

仍参考图R3-1，在各种实施例中，装置3100还可以包括与导管3102流体连通的贮液器3124，使得贮液器3124可以收集和存储工作流体3122的至少一部分。如图R3-1，贮液器3124可通过管道或其他合适的管状结构被耦合到管道3102的输入部分3104。液相3122b可以因此从侧壁3102(例如，建筑结构3112、毛细结构等)流入到贮液器3124。在其它实施例中，贮液器3124是在与导管3102的另一部分流体连通(例如，输出部3106)，使得所述贮液器3124收集在汽相3122a或混合相中的工作流体3122。

贮液器3124允许设备3100在至少两种模式中进行操作：蓄热模式和传热模式。在蓄热模式过程中，工作流体3122的蒸发-冷凝循环可通过将工作流体3122从导管3102注入贮液器3124被减慢或停止。第一端帽3108然后可以用作吸收热量而无需累积热量的汽化冷凝循环散热的蓄热器。第一端帽3108累积所需的热量和/或不再供给热量的热源量(例如，太阳)之后，设备3100可以通过将工作流体3122注入管道3102改变到传热模式。存储在第一端盖3108的热量可蒸发进入的工作流体3122以及压力差可以驱动蒸汽相3122a朝着管道3102的输出部分3106，以重新启动蒸发冷凝循环。在某些实施例中，蒸发冷凝循环的重新启动可以被监测，以分析工作流体3122的特征(例如，组分，蒸汽压，潜热，效率)。

如图所示的R3-1，控制器3126可被可操作地耦合到贮液器3124以调制工作流体3122进入导管3102的速率和/或调节工作流体3122流入或流出管道3102的体积。控制器3126可以从而改变管道3102内的压力，使得装置3100可以以在热源和散热装置之间变化的温度差进行操作。因此，该设备3100可以提供恒定热流，而不论减少的热源(例如，第一端帽3108)或间歇蒸发冷凝循环。

图R3-2A和R3-2B是根据本技术的其它实施例的传热装置3200a、3200b(“设备3200”)的示意剖视图。装置3200的几个特征一般相似于图R3-1中所示的设备3100的特征。例如，每一个设备3200可以包括导管3102，侧壁3120，以及第一和第二端帽3108和3110。该装置3200还能从热源传送热量到散热装置，利用工作流体3122的蒸发冷凝循环的散热装置通常类似于参照图R3-1中所描述的。此外，如图R3-2A和R3-2B所示，设备3200还可以包括贮液器3124和控制器3126，使得装置3200可以在蓄热模式和传热模式下操作。

如图所示R3-2A和R3-2B的装置3200可以利用重力，而不是图R3-1所记载的毛细管作用，以返回工作流体3122的液相3122b到输入部3104。因此，如图R3-2A和R3-2B中所示，热流入在热输出以下，以使得重力可以驱动液相3122b向下侧壁3120到输入部分3104。因此，如图R3-2A中所示，侧壁3120只需要包括防渗膜3228，而不是毛细作用所必需的灯芯结构，以密封在导管3102内的工作流体3122。防渗膜3228可以由聚合物如聚乙烯，金属或金属合金，如铜，不锈钢，和/或其他合适的不渗透材料制成。在其它实施例中，装置3200可以利用加速度的其他来源(例如，离心力，毛细管作用)，以返回液相3122b到输入部3104，使得输入和输出部3104和3106的位置没有重力依赖。

如图R3-2B中所示，在其它实施例中，侧壁3120可以进一步包括建筑结构3112。例如，建筑结构3112可以被布置，以使得这些层3114被取向为垂直于管道3102的纵向轴线3118以形成传递热量远离导管3102的导热通路。因此，如液相3122b沿着侧壁3120流动，建筑结构3112可以从液相3122b吸取热量，沿着所述层3114并远离设备3200的侧壁3120。这样可以增加输入和输出部3104和3106之间的温度差，以增加传热速率和/或促进当温度梯度不足时的蒸发冷凝循环。在其它实施例中，层3114可以以相对于纵向轴线3118的不同的角度被定向以在不同的方向传递热量。在某些实施例中，建筑结构3112可以被定位于径向向外的防渗膜3228。在其它实施例中，防渗膜3228可以是径向向外的建筑结构3112或建筑结构3112本身可以提供足够的防渗壁以密封导管3102内的工作流体3122。

在图R3-2A和R3-2B中所示的第一和第二端帽3108和3110还可以包括建筑结构3112。如图R3-2A和R3-2B中所示，建筑结构3112的层3114通常与方向热输入和热输出对齐，以提供有效地传递热量的热传导通道。此外，第一和/或第二端帽3108和3110的建筑结构3112可以被配置为进入或离开导管的特定物质适用于毛细管压力。例如，建筑结构3112的层3114的组分，间距，掺杂剂和/或厚度可以被调制，以选择性地吸收层3114之间的特定物质。在选定实施例中，建筑结构3112可以包括被配置用于第一物质的层3114的第一区域和被配置用于第二物质的层3114的第二区域以选择性地从管道3102除去和/或添加两个或更多的所需物质。

在进一步的实施例中，第二端帽3110可以利用建筑结构3112的吸收属性来选择性地装入层3114之间的工作流体3122的所需成分。建筑结构3112的结构可以被操纵以获得所需的表面张力以装载几乎任何元件或可溶物。例如，层3114可以与预定的掺杂剂或材料被预载，以调整沿着这些表面的表面张力吸附。在某些实施例中，层3114可以用二氧化碳预加载，以使得建筑结构3112可以从工作流体3122选择性开采二氧化碳作为热量释放至第二端帽3110。在其它实施例中，层3114可以以一预定距离彼此分隔开，包括一定的涂层，和/或以其它方式被布置以选择性地加载所需的组分。在一些实施例中，所希望的组分吸附到各个层3114的表面，而在其他实施例中所需的成分吸收入层3114之间的区域。在进一步的实施例中，物质可以被有目的地从输入部3104送入导管3102(例如，通过第一端帽3108)，以使得所加入的物质可以结合工作流体3122或与工作流体3122起反应，以产生所需的成分。因此，在第二端帽3110的建筑结构3112可促进组分的选择性开采。此外，建筑结构3112可以去除杂质和/或其它不希望的可溶物，其可能已进入导管3102和潜在地干扰设备3200的效率。

类似地，在所选的实施例中，在第一端帽3110的建筑结构3112也可以有选择地加载所需的化合物和/或元件，以防止它们进入导管3102。例如，建筑结构3112可以过滤掉可以阻碍或以其他方式干扰设备3200的传热的链烷烃。在其它实施例中，装置3200可包括可被用于防止某些物质进入导管3102的其他过滤器。

此外，类似于选择性加载化合物和元素，在第一和第二端帽3108和3110的建筑结构3112也可以被配置为吸收所希望的波长的辐射能量。例如，层3114可以具有一定的厚度，组成，间隔以吸收辐射能量的特定波长。在选定实施例中，建筑结构3112吸收第一波长的辐射能量并将其转换成第二波长的辐射能量，重传至少一些被吸收的能量。例如，层3114可以被配置为吸收紫外线并转换紫外辐射成红外辐射。

此外，层3114也可以通过传递递热量至反应将发生的区域来催化反应。在其他实施例中，层3114通过传递热量远离反应将发生的区域来催化反应。例如，热量可传导地传递到层3114(例如，如在2010年8月16日提交的美国专利申请号12/857，515，题目为“APPARATUSES ANDMETHODS FOR STORING AND/OR FILTERING A SUBSTANCE”中所讨论的，该申请在通过引用将其全部内容合并于此)，以提供热量到层3114的支撑管内的吸热反应。在一些实施例中，层3114通过从反应将发生的区域中除去反应产物来催化反应。例如，层3114可以从醇是一种副产物的中央支撑管内的生化反应吸收醇，从而排出层3114的外边缘上的醇，并延长涉及生化反应的微生物的寿命。

图R3-3A是根据本技术的又一个实施例的在第一方向上操作的热传递装置3300(“设备3300”)的示意性横截面视图，图R3-3B是在与第一方向相反的第二方向上操作的图R3-3A的装置3300的示意性的横截面视图。装置3300的一些特征大致类似于图R3-1-2B中所示的设备3100和3200的特征。例如，设备3300可以包括导管3102，第一和第二端帽3108和3110，和建筑结构3112。如图R3-3A和R3-3B中所示，设备3300的侧壁3120可以包括两个建筑结构3112：具有被定向为平行于导管3102的纵向轴线3118的层3114的第一建筑结构3112a和从第一建筑结构3112a径向向内并具有被定向为垂直于纵向轴线3118的层3114的第二建筑结构3112b。第一建筑结构3112a的层3114可以执行毛细作用，而第二建筑结构3112b的层3114可以形成传递热量远离导管3102的一侧的导热通路，并从而增加了输入和输出部3104和3106之间的温度差。

类似于图R3-1所示的装置3100，当热流的方向变化以及输入和输出部3104和3106被反转时，设备3300也可以操作。如图R3-3A中所示，例如，设备3300可以吸收在第一端帽3108的热量以蒸发在输入部3104的工作流体3122，经由工作流体3122的汽相3122a传递热量通过导管3102，并从第二端帽3110排出热量，以在输出部3106冷凝工作流体3122。如在图R3-3A中进一步所示，工作流体3122的液相3122b可以在参照图R3-1的上述的毛细作用的第一建筑结构3112b的层3114之间移动。在其它实施例中，侧壁3120可以包括不同的毛细结构(例如，纤维素)，其可以驱动液体相3122b从输出部3106到输入部3104。如图所示的R3-3B中所示，条件可以被颠倒，以使得热量进入设备3300接近第二端帽3110并退出设备3300接近第一端帽3108。有利的是，如上面所讨论的，工作流体3122的双方向蒸气冷凝循环可容纳热源和散热装置的位置反向的环境。

在至少某些实施例中，除了或代替热管的热泵可用于传递热量，且所传送的热量可用于提高热泵耦合至的反应器的效率和/或性能。在特定实施例中，热量被从多年冻土，地热，海洋和/或其它来源提取。图R3-4是可逆热泵3150的局部示意图，该可逆热泵被定位成从源3200(例如，热源)接收热，由箭头H1所示，并且以比源高的温度传递热量，如箭头H2所示。热泵3150通过可在封闭冷冻环路中操作的工作流体传递热量。因此，热泵3150可以包括压缩机3154、膨胀阀3162、供给和返回管道3156，3160和第一和第二热交换器3152，3158。在操作中，工作流体经由第二热交换器3158从源3200接收热量。该工作流体通过供应管道3156至它被压缩的压缩机3154，并在第一热交换器3152传递热量(例如，非燃烧反应器)。工作流体然后通过膨胀阀3162，并通过返回导管3160返回到第二热交换器3158。

工作流体可以基于至少部分的源3200的温度和所需的输送温度被选择。例如，工作流体可以是相对惰性流体，例如氟利昂，氨或二氧化碳。这样的流体与各种聚合物和金属组分相容。这些组件可包括管衬聚合物如氟化乙烯-丙烯，全氟烷氧基乙烯，聚偏氟乙烯，四氟乙烯，乙烯-丙烯二聚物，和/或可用纤维(如石墨，E-玻璃，S-玻璃，玻璃-陶瓷或各种有机长丝以形成导管3156，3160)增强的许多其他材料。热交换器3158可以由金属合金制成，例如，304型或其它“300”系列的奥氏体不锈钢，铝合金，黄铜或青铜的选择。压缩机3154可以是取决于包含应用标度的因子正排量或涡轮式压缩机。膨胀阀3162可以被选择以满足特定应用的压降和流量的要求。

在源3200在中等温度(例如，125华氏摄氏度(52度))的代表性实施例中，工作流体可以包括被扩展通过阀3162至降低的温度(例如，115华氏摄氏度(46度))的二氧化碳。工作流体在源3200接收热量以达到120华氏摄氏度(49度)的代表温度。在压缩机3154，工作流体的温度升高到325华氏摄氏度(163度)或更高的代表值。在具体实施例中，一个或多个附加的热泵循环(未示出)可以被用来进一步提升输送温度。它可以是特别有利的以使用热泵循环来在比源3200高的温度来提供热量，因为这种循环通常传递相比于压缩机3154的操作所需的能量的二到十倍以上的热能。

以大致类似的方式，使用一个或多个热泵循环来反向冷却工作流体至低于环境温度的温度也可以是有利的，并从而“冷冻”被冷却的物质。例如，在湖底或海洋沉积物中的多年冻土或甲烷水合物可以被冷却到远低于在此类应用中的空气或周围的水的环境温度的温度。

具有透射面的合适的反应器的仍进一步的实施例在2011年2月14日提交未决的美国申请号13/027，244中被公开并通过引用并入本文。

4.4具有太阳能输送器的代表反应器

图R4-1是包括具有反应区4111的反应器4110的系统4100的局部示意图。该系统4100还包括引导太阳能4103到反应区4111的太阳能收集器4101。太阳能收集器4103可包括碟，槽，定日镜排列，菲涅耳透镜和/或其它辐射聚焦元件。反应器容器4110和太阳能收集器4101可被安装到支座4102，其允许太阳能收集器4101关于至少两个正交的轴旋转以便继续高效率地集中太阳能4103，正如地球旋转一样。系统4100还可以包括多个反应物/产物容器4170，包括第一和第二反应物容器4170a、4170b，以及第一和第二产物容器4170c、4170d。在特定实施例中，第一反应物容器4170a能够提供包含氢和碳(例如甲烷)的反应物，其被在吸热反应中的反应区4111被处理以产生氢气，其被分别提供至第一和第二产品容器4170c、4170d。在其它实施例中，其它反应物，例如，城市固体废物流，生物质反应物，和/或其它废物流可以在形成第二反应物容器4170b的一部分的料斗4171被提供。在任何一个的这些实施例中，内部反应物输送系统和产物去除系统提供反应物至反应区4111并从反应区4111去除产物，将在后面参照图R4-3进一步详细地描述。

系统4100还可以包括当可用的太阳能4103不足以维持在反应区4111的吸热反应时提供热至反应区4111的补充热源4180。在特定实施例中，补充热源4180可包括电感器4181，其在白天位于远离反应区4111，以允许集中太阳能4103进入反应区4111，并可以在夜间在反应区4111上滑动以提供热量至反应区4111。感应加热器4181可以由可再生的清洁能源提供动力，例如，在白天由反应器容器4110产生的氢气，或落下的水，地热能源，风能，或其它合适的来源。

在任何前述实施例中，系统4100可以进一步包括控制器4190，其接收输入信号4191，并通过控制信号或其它输出4192引导组成系统4100的设备的操作。例如，控制器4190可以从辐射传感器4193接收，该信号指示入射太阳辐射不足以维持在反应区4111的反应。作为回应，控制器4190可以发出命令以激活补充热源4180。控制器4190还可以指示反应物输送和产品去除系统，在下面参照图R4-3被进一步描述。

图R4-2是图R4-1中所示的反应容器4110的实施例的局部示意图，其示出了被定位成允许入射太阳能源4103进入反应区4111的透射成分4112。在特定实施例中，透射成分4112可以包括玻璃或其它适当的透明度，高温材料，很容易传播给太阳辐射，并且被配置为承受反应区4111中的高温。例如，在反应区4111的温度被在一些实施例中预计会达到4400华氏摄氏度，并且对于反应物和/或产物可以更高。

在其它实施例中，透射成分4112可以包括能够以一波长吸收辐射并以另一波长重新发射它的一个或多个元素。例如，透射成分4112可包括以一波长接收入射太阳能的第一表面4113a和以另一波长重新发射能量进入反应区4111的第二表面4113b。以这种方式，提供到反应区4111的能量可以专门定制以匹配或近似置于反应区4111内的反应物和/或产物的吸收特性。有代表性的再辐射装置的进一步细节在4.2节被描述如上。

在其它实施例中，反应器容器4110可以包括执行相关功能的其他结构。例如，反应器容器4110可包括具有第一表面和第二表面4113a、4113b的百叶窗结构4114，第一表面和第二表面4113a、4113b可枢转以呈现一个表面或根据外部条件的其它，例如，入射太阳能4103的层。在该实施例的一个具体方面，第一表面4113a可以具有一个比较高的吸收率和相对低的发射率。在白天，表面可相应容易地吸收辐射。第二表面4113b可以具有相对低的吸收率和相对高的发射率，并且可以相应地进行工作，以冷却反应区4111(或反应器4110的另一部件)，例如，在夜间。这种布置的一个典型应用是进行吸热和放热反应的反应器，如将在下文第4.8节中进一步描述的。用于在冷却模式下操作太阳能集热器4101(图R4-1)的其他布置的细节在下文第4.5节中被进一步描述。

在进一步的实施例中，反应器4110可包括重新定向辐射的特征，该辐射由于收集器表面像差、环境的缺陷、不平行的辐射，风速和/或其他干扰或扭曲而“溢出”(例如，没有精确地聚焦在透射部分4112上)。这些特征可以包括可被定位和/或调整，以重新定向辐射(有或没有波长移位)进入反应区4111的附加百叶窗4114a。

图R4-3是根据本公开的一个实施例配置的反应器容器4110的一部分的部分示意横截面图。在本实施例的一个方面，反应器4110包括反应物输送系统4130，其设置于大致圆柱形、桶形的反应器容器4110之内，和环状地从反应物输送系统4130向内定位的产物去除系统4140。例如，反应物输送系统4130可包括外螺纹4131，其反过来又包括外螺纹轴4132和向外延伸的外螺纹4133。外螺钉4131具有产物去除系统4140被定位在其中的轴向延伸的第一轴向开口4135。外螺钉4131绕中心轴4115旋转，如箭头O所指示的。因为它确实是这样，它带有至少一个反应物4134(例如，气体，液体和/或固体反应物)向上和向右，如图R4-3，朝向反应区4111。正如反应物4134被在外螺纹4133内进行一样，它也被压缩，潜在地释放气体和/或液体，这可以通过百叶和/或位于从外螺钉4131环状向外的其他开口4118逸出。正如反应物4134变为致密的外螺纹4133一样，其对血管4110的内壁4119形成密封。这种布置可以防止丢失反应物4134，并且可以代替迫使反应物4134移向反应区4111。除了外螺纹4133，反应物输送系统4130可以包括其它的特征以迫使反应物4134移向反应区4111。例如，反应器容器4110的内壁4119可包括一个或多个螺旋形的步枪槽4116，其往往会因外部螺杆4131旋转轴向地迫使反应物4134。除了或代替这种特征，整个外螺钉4131可以前后往复运动，由箭头R所指示的，以防止反应物4134钉到内壁4119，和/或释放钉到内壁4119的反应物4134。在内壁4119附近放置桶加热器4117还可以减少反应物钉附，除了或代替上述功能。在至少某些实施例中，预期的是当变暖时反应物4134将不太可能黏住。

反应物4134可以包括各种合适的组合物，例如，可提供氢供体到反应区4111的组合物。在代表性的实施例中，反应物4134可以包括生物质成分，例如，城市固体废物，商业废物，林产品废弃物或斜线，纤维素，木质纤维素，烃类废物(如轮胎)，和/或其他。被压缩后，这些废物可以被高度细分，这意味着由于粗糙表面特征和/或再次反射并最终吸收入射辐射的表面特性，它们可以很容易地吸收入射辐射。该属性可进一步提高在反应区4111中反应物4134加热的效率。

一旦反应物4134已经被输送到反应区4111，它从入射太阳能4103或其他信号源接收热量并经历吸热反应。反应区4111可以具有环形形状并且可以包括绝缘4120以防止热量从容器4110逸出。在一个实施例中，发生在反应区4111的吸热反应包括离解甲烷和重整碳和氢成分为元素碳和双原子氢，或其他碳化合物(例如，以一氧化碳或二氧化碳形式的氧化碳)和氢的化合物。所得到的产物4146可以包括气态部分(由箭头G所示)，其从反应区4111环形地向内以由产物去除系统4140进行收集。产物4146的固体部分4144(例如，灰分和/或其他副产物)也由产物去除系统4140收集。

该产物去除系统4140可以包括设置在外螺钉4131内的第一轴向开口4135中的内螺钉4141。内螺钉4141可以包括内螺纹轴4142和内螺纹4143。内螺钉4141还可以绕轴线4115旋转，如箭头I所示，如外螺钉4131在相同的方向上或在相反的方向上。内螺钉4141包括具有允许气态产物G进入的开口的第二轴向通路4145。气态产物G向下移动到被收集的并且在至少一些实例中被进一步处理(例如，在从反应中产生的氢分离在反应产生的碳)的第二轴向开口4145。在具体的实施例中，气态产物G能够通过额外热交换器(图R4-3未示出)与进入的反应物4134交换额外的热，以冷却产物G和加热反应物4134。在其它实施例中，气态产物G能够通过驱动斯特林发动机或其它设备来进行冷却以产生机械的和/或电力。当内螺钉4141旋转时，它承载产物4146的实心部分4144向下和向左，如图R4-3所示。固体产物4144(和气态产物G)可通过传导传热到外螺钉4130来加热进入的反应物4134，在这之后固体部4144可以被用于移除。例如，来自形成在反应区4111含氮和/或含硫产物可以在农业或工业生产过程中使用。产物和因此的固体部分的化学和物理组分可以依赖于进入反应物的特性，其可以例如从城市固体废物到工业废物生物量的广泛地变化。

正如上文参照图R4-1，R4-2所讨论的，系统4100可以包括即使在可用太阳能不足以维持反应时引导能量(如热能)进入反应区4111的特征。在如图R4-3所示的实施例，补充热源4180可以包括燃烧反应物4182(例如，氧化剂和/或含氢的可燃材料)，其通过定位在第二轴向开口4145中的传送管4184被引导到燃烧器或与反应区4111热连通的燃烧器区4183。在夜间或当入射太阳能是低的其他时间段期间，补充热源4180可提供额外的热至反应区4111以维持发生在其中的吸热反应。

如上所述，参照图R4-3的实施例的一个特征是，进入的反应物4134可与离开反应区的固体产物4144密切或亲密地热连通。特别地，外螺纹轴4132和外螺纹4133可以由高导热性的材料形成，从而从由内螺钉4141携带的固体产物4144接收热量，并传递热量到进入的反应物4134。这种布置的一个优点是，它是高热效率的，因为它将从产物去除热量，所述产物否则将以浪费热量的方式被冷却，并在同一时间加热进入的反应物4134，从而减少了必须由太阳光聚集器4101(图R4-1)和/或补充热源4180产生的热量。通过提高产生于反应容器4110的氢和/或碳或其他构件块的效率，反应器系统4100可以增加用于生产产物的可再生的反应物和能量源的商业可行性。

具有太阳能输送机的合适反应器的仍进一步的实施例中被在公布的美国专利号8，187，549且通过引用并入本文的申请中。

4.5具有太阳能聚集器的代表性反应器

图R5-1是根据特定的技术实施例的具有连接到太阳能聚集器5120的反应器5110的系统5100的部分示意、部分横截面图。在该实施例的一个方面，太阳能聚光器5120包括安装到底座5122的碟5121。该碟5121可以包括接收入射光太阳能5126并引导太阳能作为朝向聚焦区域5124的聚焦太阳能5127的聚集器表面5123。碟5121可被耦合到聚集器致动器5125，所述聚集器致动器移动碟5121围绕至少两个正交的轴，以随着地球旋转有效地集中太阳能5126。如将在下面进一步详细描述的，聚集器致动器5125也可以被配置为有意地定位碟5121以在冷却操作时背向太阳。

反应器5110可包括一个或多个反应区5111，在图R5-1中示出作为第一反应区5111a和第二反应区5111b。在特定实施例中，第一反应区5111a被定位在焦点区域5124以接收聚焦的太阳能5127并促进解离反应或其他吸热反应。因此，系统5100可进一步包括提供反应物至反应器5110并收集从反应器5110接收到的产品的分配/收集系统5140。在该实施例的一个方面中，分配/收集系统5140包括反应物源5141，其引导反应物至第一反应区域5111a，和一个或多个从反应器5110收集产品的产品收集器5142(两个被示于图R5-1中作为第一产物收集器5142a和第二产物收集器5142b)。当反应器5110包括单一的反应区(例如，第一反应区5111a)，产物收集器5142a、5142b可以直接从第一反应区5111a收集产物。在另一个实施例中，在第一反应区5111a产生的中间产物被定向到第二反应区5111b。在第二反应区5111b，中间产物可经历放热反应，以及所得到的产物被稍后沿一产物流动路径5154输送到产品收集器5142a、5142b。例如，在代表性的实施例中，反应物源5141可包括甲烷和二氧化碳，其被提供(例如，以一个单独控制的方式)到第一反应区5111a并被加热以产生一氧化碳和氢气。一氧化碳和氢气然后被提供给第二反应区5111b以生产放热反应中的甲醇。第一个反应区5111a和第二反应区5111b之间的这种安排和相关的热传递过程的进一步细节在第4.8节进行更详细地描述。

在至少某些情况下，理想的是提供冷却至反应器5110，除了上述的太阳能加热。例如，冷却可被用于除去由放热反应产生的热量，所述放热反应正在第二反应区5111b被进行并从而使反应继续进行。当在第二反应区5111b产生的产物，包括甲醇，它可能需要进一步冷却的甲醇液体以提供方便储存和运输。因此，系统5100可以包括促进利用聚集器表面5123以冷却在反应器5110的元件或成分的特征。在特定实施例中，系统5100包括第一热交换器5150a，其可操作地耦合到相对于聚焦区域5124移动第一热交换器5150a的热交换器致动器5151b。第一热交换器5150a可以包括热交换器流体，其与反应器5110中的成分进行热连通，但是在从这些组分流体隔离以避免污染组分和/或干扰发生在反应器5110的反应。热交换器的流体流动围绕在第一回路中的热交换器流体流动路径5153从第一热交换器5150a到第二热交换器5150b并返回。在第二热交换器5150b，热交换器流体从由反应器5110产生的产物(例如甲醇)接收热量作为从第二反应区5111b到配送/收集系统5140的产物。热交换器流体流动路径5153传递加热的热交换器流体返回到第一热交换器5150a以用于冷却。在热交换器流体流动路径5153(例如，连续的导管)中的一个或多个应力释放特征5152促进第一热交换器5150a的移动。系统5100还可以包括控制器5190，其从任意的各种传感器，传感器，和/或系统5100的其他元件接收输入信号5191并响应于从这些元件接收到的信息，传递控制信号5192以调整系统5100的操作参数。

图R5-2示出了被提供至第一热交换器5150a的热交换器流体被冷却的一种机制。在本实施例中，控制器5190引导热交换器致动器5151以从图R5-1所示的位置驱动第一热交换器5150a到聚焦区域5124，如箭头A所示。此外，控制器5190可以引导聚集器致动器5125来定位碟5121，以使聚集器表面5123指向远离太阳并到具有非常小的辐射能量的天空区域。在一般情况下，这个过程可以在夜间完成，当比较容易避免太阳的辐射能量和本地环境时，但在至少一些实施例中，这个过程也可以在白天进行。连接到控制器5190的辐射能传感器5193可以检测，当进入的太阳辐射穿过低于阈值水平时，指示用于定位第一热交换器5150a在如图R5-2中所示的位置的一个适当的时间。

第一热交换器5150a在如图R5-2中所示的位置，在热交换器5150a中的热的传热流体辐射发射的能量5128，其是由在聚集器表面5123的碟5121所收集并被重定向向外作为经引导的发射能量5129。相邻定位到聚焦区域5124的绝缘体5130，能够防止辐射能量从不是朝向聚集器表面5123的方向被发射。通过定位聚集器表面5123以指向具有非常小的辐射能量的空间中的区域，空间中的区域可以作为散热装置，并且可以相应地接收由第一热交换器5150a拒绝的被引导的发射的能量5129。热交换器流体，在第一热交换器5150a被冷却之后返回到第二热交换器5150b以从沿着产物流动通道5154流出的产物吸收更多的热量。因此，聚集器表面5123可用于冷却和加热反应器5110的元件。

在特定实施例中，第一热交换器5150a在白天被定位，如图R5-1所示，并在夜间被如图R5-2中所示的定位。在其它实施例中，多个系统5100可被耦合在一起，一些具有相应的如图R5-1定位的第一热交换器5150a，和其他具有如图R5-2所示定位的第一热交换器5150a，以提供同时加热和冷却。在任何这些实施例中，冷却过程中可用于液化甲醇，和/或提供其他功能。这样的功能可以包括液化或固化其它物质，例如，二氧化碳，乙醇，丁醇或氢。

在特定实施例中，输送至反应器5110的反应物被选择为包含氢，这被从反应物(如碳，氮，硼，硅，过渡金属，和/或硫)的其它元素中进行解离以产生氢基燃料(例如，双原子氢)，和可以被进一步处理以产生耐用品的结构构建块。这样耐用品包括石墨，石墨烯，和/或聚合物，其可从碳素结构构建块产生，以及由氢或其它结构形成的其它合适的化合物。合适的过程和产物的进一步详情被公开于以下共同未决的美国专利申请：标题为“CHEMICAL PROCES SES AND REACTORS FOR EFFICIENTLYPRODUCING HYDROGEN FUEL S AND S TRUCTURAL MATERIAL S，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的13/027,208；标题为“ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE APLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS”的13/027,214；和标题为“CARBON-BASED DURABLE GOODS AND RENEWABLE FUEL FROMBIOMASS WASTE DISSOCIATION”的13/027,214(代理人案号：69545.9002US)，所有申请都于2011年2月14日提交并通过引用被合并于此。

图R5-3示出了根据所公开的技术的另一实施例的带可动碟5321的具有反应器5310的系统5300。在该实施例的一个具体方面，反应器5310包括第一反应区5311a和第二反应区5311b，当碟5321具有第一位置时，第一反应区5311a接收聚集的太阳能5127，图R5-3中用实线表示。碟5321被耦合到盘驱动器5331，其相对于反应区5311a、5311b移动碟5321。因此，在操作的第二阶段，控制器5190引导盘驱动器5331以移动碟5321到图R5-3虚线所示的第二位置。在一个实施例中，当盘5321是在第二位置时这样的安排可以被用于提供热量到第二反应区5311b。在另一个实施例中，这样的安排可以被用于冷却第二反应区5311b。因此，控制器5190可以引导聚集器致动器5125以指向碟5321到具有很少或没有辐射能量的天空中的位置，从而允许第二反应区5311b以拒绝热至碟5321并最终到空间，以大致类似于上述参照图R5-1、R5-2的一个方式。

具有太阳能聚集器的合适的反应器的进一步的实施例被在公布的美国专利号8，187，550并通过引用并入本文的申请中公开。

4.6具有感应加热的代表性反应器

图R6-1是根据本发明公开的技术的一个实施例的具有反应器6110的系统6100的部分示意的、部分横截面图。在本实施例的一个方面，反应器6110包括具有由感应线圈6120加热的反应或感应区6123的反应器容器6111。感应线圈6120可以是耦合至合适的电功率源6121的液体冷却的高频交变电流的线圈。反应器容器6111还可以包括耦合到前导气体源6101的入口端口6112以接收合适的前导气体，和被定位为从容器6111除去废气和/或其他组分的出口端口6113。在特定实施例中，前导气体源6101携带烃类气体(例如，甲烷)，其在感应区6123被离解成碳和氢。稍后碳被沉积在基底上以形成产物，如下面进一步描述。氢和/或其他成分被除去以进行进一步处理，也在下文中进一步描述。

反应容器6111容纳具有第一支撑面6115a的第一支撑6114a，和具有朝向第一支撑面6115a的第二支撑面6115b的第二支撑6114b。每个支撑6114a、6114b可以携带前导气体的一个或多个成分被在其上进行沉积基板。例如，第一支撑6114a可承载第一基板6130a和第二支撑6114b可承载第二基板6130b。在前导气体被选择为沉积碳的代表性的实施例中，第一和第二物质6130a，6130b也可以包括碳，例如，以石墨的形式，或钢的成分。当前导气体包含不同的沉积元素(例如，氮和/或硼)，第一和第二基板6130a、6130b的组成可以是不同的。基板6130a、6130b的每一个可以具有朝向彼此的最初暴露表面。因此，第一基板6130a可以有面向第二基板6130b的第二暴露表面6131b的暴露的第一表面6131a。每个基板6130a，6130b的其余表面可以被绝缘以防止或显著限制从这些表面的辐射损失。支撑6114a，6114b可以隔离每个基板6130a，6130b的至少一个表面。其它表面(除了暴露的第一基板和第二基板6131a，6131b)可以通过相应的绝缘体6132来保护。绝缘体6132可以由合适的高温陶瓷或其他材料来形成。

系统6100还可以包括控制器6190，其接收来自任意的各种传感器，传感器，和/或系统6100的其他组件的输入信号6191，并且响应于从这些元件接收到的信息，传递控制信号6192来调整系统6100的操作参数。这些参数可以包括气体成分被提供给反应器容器6111和/或被从反应器容器6111除去的压力和流速，感应线圈6120及相关联的功率源6121的操作和分离器6103(在下面描述)的操作，等等。

在操作中，前导气体源6101供给气体至感应区6123，感应线圈6120被激活，并且前导气体离解成至少一种成分(例如，碳)，其被在第一基板和第二基板6130a，6130b上沉积。成份可以在外延过程进行沉积，其保留了相应的基板6130a，6130b的晶粒取向。因此，所沉积的组分也可以有晶体和/或其他自组织的结构。正如成分被沉积，其在第一基板6130a形成第一形成结构或产物6140a，以及在第二基板6130b形成第二形成结构或产物6140b。第一和第二形成的结构6140a，6140b分别具有朝向彼此的对应的暴露的表面6141a，6141b。结构6140a，6140b可以具有相同或不同的横截面形状和/或区域，和/或可以具有非结晶的，单晶或多晶体的组织，这取决于所选择的实施例。由第一基板6130a的第一暴露表面6131a和/或由第一形成结构6140a的第一接触表面6141a(由箭头R1集体确定)所发射的辐射被在第二形成结构6140b的第二暴露表面6141b，和/或第二基板6130b的第二暴露表面6131b接收。同样地，由第二形成结构6140b的第二暴露表面6141b和/或所述第二基板6130b的第二暴露表面6131b(由箭头R2共同确定)所发射的辐射被在第一形成结构6140a和/或第一基板6130a接收。

随形成结构6140a，6140b发展，排除端口6113提供一开口，来自离解的前导气体的残留成分和/或前导气体的非解离的量可以通过该开口经过。这些成分被定向到收集系统6102，其可以包括配置为分离组分成两个或多个流束的分离器6103。例如，分离器6103可以引导成分的流到第一产物收集器6104a，以及成分的第二流到第二产物收集器6104b。在特定实施例中，第一产品物收集器6104a可以收集纯的或基本上纯的氢气，其可以被传递到基于氢的燃料电池6105或要求纯度比较高的氢的其他设备。引导到第二产物收集6104b的成分的第二流可以包含氢和其它元素或化合物混合。这样的元素或化合物可包括甲烷或其它未离解的前导气体和/或碳(或针对沉积物的其他元素或化合物)，其没有在第一基板6130a或第二基板6130b上被沉积。这些成分可被引导到发动机6106，例如，涡轮发动机或其它类型的可以燃烧氢气和其它成分的混合物的内燃发动机。发动机6106和/或燃料电池6105可以为任意数量的设备提供包括感应线圈6120的电力源6121的电源。在该实施例的另一个方面中，在第二收集器6104b接收的至少一些组分(例如，未离解的前体气体)可通过入口端口6112被引导返回到反应器6110。

在上述结构的一个优点在于，在化学气相沉积装置中通常遇到的辐射损耗可通过以一种方式定位多个基板被避免，该方式允许从一个表面发射的辐射由通用被针对沉积物的另一个表面被接收。图R6-1中所示的特定实施例中，两个基板被示出，每一个具有单一的面向彼此的暴露表面。在其它实施例中，附加的基板可以被定位(例如，在向图R6-1的平面向内和/或向外横向延伸的平面)，以允许所形成的产物的额外暴露的表面以辐射热量到其它形成产品的相应表面。

上述结构的另一个优点是，它可以用来产生结构构建块和/或建筑结构，来自氢供体的清洁燃烧氢燃料。当前导气体包括烃类时，建筑结构可以包括石墨和/或另一种含碳材料，例如，其可以进一步处理以形成碳基复合材料或碳基聚合物的材料。在其它实施例中，前导气体可以包含其它元素(例如，硼，氮，硫，硅，和/或过渡金属)也可以用于形成包含元件和/或形成自构建块的建筑结构的结构构建块。合适的过程和代表性的建筑结构在以下共同未决的美国专利申请中被进一步描述，所有这些申请均提交于2011年2月14日，并在此引入作为参考：申请号13/027，208；申请号13/027，214；和申请号13/027，068。

如上参照图R6-1所述的实施例的一个特征是，它可以在批处理中被进行。例如，第一和第二形成结构6140a，6140b的每一个可以由特定量进行发展，然后从反应容器6111除去。在其它实施例中，产物可以以连续的方式被形成，而不需要停止反应以除去产物。

具有感应加热的合适反应器与的更进一步的实施例在2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/027，215中公开，并通过引用并入本文。

4.7使用发动机热的代表性反应器

图R7-2是根据另一技术的实施例的系统7100的局部示意图，其包括与辐射能/反应物源7150组合的反应器7110。在本实施例中，辐射能/反应物源7150包括发动机7180，例如，具有气缸7181内往复运动的活塞7182的内燃机。在其它实施例中，发动机7180可以具有其它配置，例如，外部的燃烧配置。在图R7-2所示的实施例中，发动机7180包括被进气阀7183a打开的和关闭的进气口7184a以控制通过空气过滤器7178进入汽缸7181的空气。空气流在图R7-2所示的实施例中可以是非节流的，并且可以在其他实施例中是节流的。燃料喷射器7185引导燃料到燃烧区7179，其中它与空气混合并点燃以产生燃烧产物7152。额外的燃料可以通过喷射阀7189a被引入。燃烧产物7152经由通过排气阀7183b所控制的排气口7184b排除气缸7181。代表性的发动机和点火系统的进一步详情载于2010年12月7日提交的共同未决的美国专利申请号12/653，085，并通过引用并入本文。

发动机7180可包括专门设计整合发动机的操作与反应器7110的操作的特征。例如，发动机7180和反应器7110可以共享来自在下面进一步详细描述的共同燃料源7130的燃料。该燃料通过调节器7186被提供给燃料喷射器7185。发动机7180还可以通过第一导管或通道7177a从反应器7110接收终端产品，并通过第二导管或通道7177b从反应器7110接收水(例如，液体或蒸汽)。这些特征的其它方面在下文中更详细地描述，以下的总体系统7100的其他功能的描述。

，根据所公开的技术，示于图R7-1中的系统7100也包括热交换器和分离器(它们被构造成传递热量和分离反应产物)。在该实施例的一个具体方面，系统7100包括蒸汽/水源7140，所述蒸汽/水源7140向反应器容器7111提供蒸汽，以促进产物形成。经由一个或多个通道，可以将来自蒸汽/水源7140的蒸汽提供给反应器7110。在一个具体实施例中，第一通道包括第一水路7141a，所述第一水路7141a穿过第一热交换器7170a，并经由第一蒸汽分配器7116a进入反应器容器7111中。从反应器容器7111移除的产物穿过反应器产物出口7171，并沿着产物通路7161。产物通路7161以逆流或对向流方式穿过第一热交换器7170a，以冷却产物并加热进入反应器容器7111的蒸汽。所述产物继续到达反应产物分离器7171a，所述反应产物分离器7171a分离有用的终产物(例如，氢和碳或碳化合物)，至少有一些产物，然后直接返回到发动机7180，以及其他产物然后被收集在产物收集器7160a中。第一阀7176a管理生产流。在产物通路7161中剩余的水可以在反应产物分离器7171a处分离，并返回蒸汽/水源7140。

第二通道(蒸汽/水源7140经由该第二通道向反应器7110提供蒸汽)包括第二水路7141b，所述第二水路341b穿过第二热交换器7170b。沿着第二水路7141b前进的水以蒸汽形式经由第二蒸汽分配器7116b进入反应器7110中。该水被已经离开燃烧区7179并沿燃烧产物通道7154穿过转移通道7118(其可以包括可透射的表面7119)。用完的燃烧产物被收集在燃烧产物收集器7160b处，且可以包括可以再循环或用于其它目的(例如，农业目的)的氮化合物、磷酸盐、用过的发光添加剂(例如，钠、镁和/或钾源)和/或其它组合物。该发光添加剂可被加入到反应器7110的上游侧的燃烧产物7152(和/或发动机7180使用的燃料)，以增加可用于传入反应区7112的辐射能量的总量。

除了沿着第二水路7141b加热水和沿着燃烧产物通路7154冷却燃烧产物以外，第二热交换器7170b可以加热沿着供体通路7131通向位于反应器容器7111内的供体分配器7115的氢供体。所述供体容器7130容纳氢供体，例如，烃(诸如甲烷)或含氮的供体(诸如氨)。供体容器7130可以包括一个或多个加热器7132(示出为第一加热器7132a和第二加热器7132b)，以汽化和/或加压其内的氢供体。三通阀7133和调节器7134控制流体和/或蒸气的量，所述流体和/或蒸气离开供体容器7130，并沿着供体通路7131穿过第二热交换器7170b进入反应器容器7111中。如上面所讨论的，氢供体也可以作为发动机7180的燃料，在至少某些实施例中，并且可以通过第三导管或通道7177c被传递到发动机7180。

在反应器容器7111中，燃烧产物7152穿过燃烧产物通道7118，同时通过可透射的表面7119将辐射能和/或反应物递送进反应区7112中。在穿过第二热交换器7170b以后，燃烧产物7152可以进入燃烧产物分离器7180b，该燃烧产物分离器7180b将水与燃烧产物分离。所述水返回蒸汽/水源7140，剩余的燃烧产物被收集在燃烧产物收集器7160b处。在一个具体实施例中，分离器7180b可以包括离心分离器，所述离心分离器由燃烧产物流的动能驱动。如果燃烧产物流的动能不足以通过离心力分离水，则马达/发电机7181可以向分离器7180b添加能量，以提供必要的离心力。如果燃烧产物流的动能大于分离水所需的动能，则马达/发电机7181可以生产能量，例如，供系统7100的其它部件使用。控制器7190接收来自系统7100的不同元件的输入，并控制流量、压力、温度和/或其它参数。

控制器7190也可以控制反应器的产物返回到发动机7180。例如，控制器可以通过一系列阀引导反应产物和/或重新捕获的水返回到发动机7180。在特定实施例中，控制器7190可以引导第一阀7176a的操作，第一阀7176a通过第一管道7177a引导氢和从第一分离器7171a获得的一氧化碳到发动机7180。这些成分可以在燃烧区7179中被燃烧以提供来自发动机7180的额外的电源。在某些情况下，可能希望冷却燃烧区7179和/或所示的发动机7180的其它元件。在这种情况下，控制器7190可经由第二和第三阀7176b，7176c相应的第二管道7177b来控制水流或蒸汽流。

在一些情况下，可能是可取的是，使用从发动机7180中提取的用于其它目的的能量来平衡提供给反应器7110的能量。因此，系统7100可以包括燃烧产物的流中的比例阀7187，其可引导一些燃烧产物7152到功率提取装置7188，例如，涡轮发电机，涡轮增压器或增压器。当功率提取装置7188包括增压器时，其操作压缩空气通过进气口7184a进入发动机气缸7181。当提取装置7188包括涡轮增压器时，它可以包括附加的燃料喷射阀7189b，其引导燃料喷入燃烧产物的用于进一步燃烧的混合物，以产生附加的功率。这个功率可以补充由发动机7180提供的，或者可以单独提供，例如，通过单独的发电机提供的电源。

如前述的讨论中，系统7100的一个特征是，它被专门配置成从燃烧产物7152节省和再利用能量。因此，系统7100可以包括被设计以减少燃烧产物7152的能量损失的附加特征。这样的特征可以包括定位围绕气缸7181的绝缘，在活塞7182的头部的绝缘，和/或在阀7183a，7183b的端部的绝缘。因此，绝缘防止或至少限制经由任何热通道而不是通道7118被输送远离发动机7180的热量。

至少一些上述实施例的一个特征是，反应器系统可以包括以相互依赖的方式相连的反应器和发动机。特别地，发动机可以提供余热，其有利于在反应器中进行的解离过程以产生氢基燃料和非氢基结构构建块。构建块可以包括含有碳，硼，氮，硅和/或硫的分子，并且可以被用于形成建筑结构。除了上述的聚合物和复合材料的建筑结构的代表性的例子在共同未决的美国申请号12/027，214中被进一步详细描述，其先前以引用方式并入本文。这种布置的一个优点是，它可以提供在发动机和反应器之间的协同作用。例如，通常由反应器要求以进行上述的解离过程的能量输入可凭借由燃烧产物提供的额外的能量被减少。发动机的效率可以通过增加清洁燃烧的氢气到燃烧室，和/或通过提供用于冷却发动机的水(例如，在水蒸汽或液体的形式)而得到提高。虽然蒸汽和氢系燃料是由反应器产生，但它们可以以不同的速率被传递到发动机和/或可以根据不同的时间表和/或以其它方式而变化。

具有使用发动机热量的合适的反应器的仍进一步的实施例在2011年2月14日提交的未决的美国申请号13/027，198中被公开，该申请通过引用并入本文。

4.8代表性放热/吸热反应器

图R8-1是包括反应器容器8101的系统8100的特定组件的部分示意的、横截面图。反应器容器8101包括位于朝向图R8-2的左上角(例如，在第一反应器部分)以接收入射的太阳辐射8106，例如，通过一个太阳能透射面8107，的第一反应区8110。第二反应区8120也位于反应器容器8101内，例如，在第二反应器部分，从第一反应区8110接收并生产最终产物，例如，甲醇。反应物源8153提供的反应物到反应容器8101，以及产物收集器8123收集所得到的最终产物。调节系统8150(其可以包括阀8151或其他调节器和相应的致动器8152)被连接到反应物源8153，以控制反应物到第一反应区8110的输送并控制系统8100内的其它流。在其它实施例中，阀可以用其他机制(例如，泵，等)替换或补充。

在具体实施例中，反应物源8153包括甲烷源8153a和二氧化碳源8153b。甲烷源8153a被耦合到具有相应致动器8152A的第一反应物阀门8151a和二氧化碳源8153b被耦合到具有相应致动器8152b的第二反应物阀门8151b。反应物进入反应容器8101并被向上绕第二反应区8120与第一反应区8110进行，由箭头A所示。当反应物经历通过反应器容器8101，它们可以从第一和第二反应区8110，8120接收热量并从由第一反应区8110传递至第二反应区8120的产物中接收热量，这将在后面进一步详细说明。反应物在第一反应物端口8111进入第一反应区8110。在第一反应区8110，反应物可经历以下反应：

CH4+CO2+HEAT→2CO+2H2[公式R8-1]

在特定实施例中，上述吸热反应在约900℃和在高达约1500psi的压力下进行。在其它实施例中，与其它反应物的反应可以在其他温度下在第一反应区8110进行。第一反应区8110可以包括任意的各种合适的催化剂，例如，镍/氧化铝催化剂。在具体的实施例中，反应物和/或第一反应区8110可以经受声压波动(除了通过引入反应物，发生反应，并从第一反应区8110除去产品所引起的整体压力变化)，以帮助传递反应物至催化剂的反应场所。在任何这些实施例中，在第一反应区8110产生的产物(例如一氧化碳和氢气)在第一产物端口8112离开第一反应区8110并进入第一热交换器8140a。第一产物通过沿着第一流动路径8141通过第一热交换器8140a并传递热量给沿第二流动路径8142行进的进入的反应物。因此，进入的反应物可以在第一热交换器8140a被预热，并凭借沿着或围绕第一反应区8110的外部传递。在特定实施例中，第一热交换器8140a的一个或多个表面可以包括元素或以一个频率的吸收辐射的的并以另一个频率重新发射它材料。合适的材料和布置的进一步细节被上述第4.2节中公开。

第一产物经由第二反应物端口8121和单向阀8156或其它流动抑制器进入第二反应区8120。单向阀8156被配置为允许第一产物的单向流动到第二反应区8120，当第一产物的压力超过第二反应区8120中的压力时。在其它实施例中，单向阀8156可以被替换为另一种机制，例如，传递第一产物到第二反应区8120的活塞或泵。

在第二反应区8120，来自第一反应区8110的第一产物经历放热反应，例如：

2CO+2H₂+2'H₂→CH₃OH+HEAT[公式R8-2]

前面的放热反应可以在约250℃的温度下和在许多情况下，以比在第一反应区8110的吸热反应高的压力下进行。为了增加在第二反应区8120的压力，系统8100可包括通过阀8151c和相应的致动器8152c被提供给第二反应区8120的额外的组分源8154(例如氢的源)。附加组分(如氢，由公式R8-2中2′H₂表示)可以使用或不使用必须参与作为公式R8-2中确定的反应的消耗来加压第二反应区。特别地，额外的氢可以压力超出1,500psi，例如，最多约5,000psi或更大的压力被生产，以在第二反应区8120提供增加的压力。在一个代表性的实施例中，额外的氢可在使用甲烷或另一种反应物的独立离解反应中被提供。例如，氢可以在独立的吸热反应，独立于第一和第二反应区8110、8120来制备，如下所示：

CH₄+HEAT→C+2H₂[公式R8-3]

除了产生用于加压所述第二反应区8120的氢气，上述反应可以产生碳，该碳合适于作为任何合适的终端产物的生产中的构建块，终端产物包括聚合物，自组织碳基结构(如石墨烯)，碳复合材料和/或其它材料。合适的产品的进一步的例子被包括在共同未决的美国申请号12/027，214，其先前同时提交并通过引用并入本文。

在第二反应区8120的反应可使用合适的催化剂促进，合适的催化剂是例如，铜，锌，铝和/或包括前述一种或多种元素的化合物。从在第二反应区8120的反应得到的产物(例如甲醇)被在产物收集器8123收集。因此，甲醇在第二产品端口8122离开第二反应区8120并通过一第二热交换器8140b。在第二热交换器8140b中，甲醇沿着第三流动路径8143行进并沿第四流动路径8144将热量传递到被提供至第一反应区8110的进入的成分。因此，热交换器8140a，8140b可以通过保护和再利用在第一和第二反应区中产生的热量增加发生在反应器容器8101的反应的整体效率。

在一个具体实施例中，能量是通过如上参照图R8-2所述的太阳能聚集器8103被提供到第一反应区8110。因此，通过太阳能集热器8103提供到第一反应区8110的能量将是间歇性的。系统8100可以包括补充能量来源，允许反应在没有足够太阳时能继续进行。特别地，系统8100可以包括补充热源8155。如，补充热源8155可以包括燃烧反应物源8155a(例如，提供一氧化碳)和氧化剂源8155b(例如，提供氧)。来自反应物源8155a和氧化剂来源8155b的流量被由相应的阀门8151d、8151e，和执行器8152d、8152e进行控制。在操作中，反应物和氧化剂经由相应的管道8157a、8157b被输送至反应容器8101。反应物和氧化剂可以在反应容器8101内被预热，在达到燃烧区8130之前，如箭头B所示。在燃烧区8130，燃烧反应物和氧化剂被燃烧以提供热量至第一反应区8110，从而支持在没有足够太阳能的发生在第一反应区8110内的吸热反应。燃烧的结果也可以产生二氧化碳，从而减少了对来自二氧化碳源8153b的二氧化碳的需要。控制器8190可以控制，当次级热源8155被激活和被失效时，例如，响应于热或光传感器。

在另一个实施例中，由氧化剂源8155b提供的氧气可直接与甲烷在燃烧区8130发生反应以生成二氧化碳和氢。这反过来又可以减少在第一反应区8110所需的二氧化碳的量。合适的放热/吸热反应器的进一步的实施例在2011年2月14日提交的申请中的美国专利申请号13/027，060中被公开，并且其通过引用被合并于此。

通过前述内容，可以理解，已经在本文中描述的特定技术的实施例是用于说明的目的，但是各种修改在不脱离本技术的范围下可以被作出。例如，支撑结构300可包括额外的TCP反应器100，其被配置为产生易于运输到陆地的化学物质，或者加压气体250可被直接路由以从支撑结构300降落便于将TCP反应器系统110完全或部分放置在陆地上。膜206在存储器230可以是刚性的圆顶以用一种更可控的方式管理捕获的气体216。在更进一步的实施例中，膜可以被替换为另一种合适的开放式底部结构，它的作用是至少部分地包围捕集气体的容积。代表的开放式底部结构可以是大体刚性的，例如，自支撑的。这样的结构可以设置在如上所述的合适的区域，包括在凹谷。当放置在凹谷中，开放式底部结构可以被支撑固定在相邻峡谷面向朝上的面。该结构可以采取圆顶，雨棚，帐篷形结构，和/或其他开放式底部结构或其他适当布置的形式。其他实施例可以使用来自TCP反应器系统110的一个过程的废热，以加热地表水和/或以一种除了上述明确说明的方式外的方式内部循环热量或循环在子过程之间的热量。在上述某些实施例中，捕获膜位于水面下方。在其它实施例中，膜可被定位在水表面或略高于水表面，例如，在浅水区，以捕获可能包括甲烷水合物或其它气体的组合物的气体。

在具体的实施例的上下文中所描述的技术的某些方面可以被组合或在其他实施例中被消除。例如，如上所述作为要求耐热或散热的某些实施例可以收集和使用废热作为用于解离过程的能量源，例如，经由内部热交换器。在其它实施例中，可单独使用任一种前述的布置。如上所述参考图1中的燃烧产物和/或水的反应物可以在至少某些实施例中被消除。

根据不同的实施例，处理装置和系统(例如，反应器280、282)可位于水表面，在表面的之上，或表面之下。当位于表面以下，合适的通道可被提供至表面以用于进入空气和/或排气。在另一个实施例中，系统包括电解槽，以产生表面之下的氧气。在至少某些情况下，这些子表面的布置可以消除，或至少缩短，在反应器和膜或其它捕集装置之间的导管的需要。

下面的美国非临时申请描述了热化学反应器和相关联的系统的另外的实施例，这些申请与本申请同时提交，并在此引入作为参考：美国13/______，题为“FUEL-CELL SYSTEMS OPERABLE INMULTIPLE MODES FOR VARIABLE PROCES SING OF FEEDSTOCKMATERIALS AND ASSOCIATED DEVICES，SYSTEMS，AND METHODS”(代理人案号69545.8607US1)；

美国13/__，标题为“SYSTEM AND METHOD FOR COLLECTINGAND PROCESSING PERMAFROST GASES，AND FOR COOLINGPERMAFROST”(代理人案号69545.8609US1)；

美国13/_____，标题为“GEOTHERMAL ENERGIZATION OF ANON-COMBUSTION CHEMICAL REACTOR AND ASS OCIATEDSYSTEMS AND METHODS”(代理人案号69545.8610US1)；

美国13/_______，标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDINGSUPPLEMENTAL AOUEOUS THERMAL ENERGY”(代理人案号69545.8612US1)；

美国13/________，标题为“MOBILE TRANSPORT PLATFORMS FORPRODUCING HYDROGEN AND STRUCTURAL MATERIALS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”(代理人案号69545.8614US1)；知

美国13/______，标题为“REDUCING AND/OR HARVESTING DRAGENERGY FROM TRANSPORT VEHICLES，INCLUDING FOR CHEMICALREACTORS，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”(代理人案号69545.8615US2)。

此外，尽管在那些实施例的背景下已经描述了与所述技术的某些实施例相关的优点，其它实施例也可能表现出这样的优点，而且并非所有实施例都一定需要表现出这样的优点才能落入本公开内容的范围内。因此，本公开内容和相关的技术可以包括在本文中没有明确示出或描述的其它实施例。

Claims (27)

1.一种用于从水下区域中除去和处理气体的系统，包括：

膜，设置在至少一部分的所述水下区域之上并至少部分地包围气体体积，所述膜具有提取端口；

提取导管，具有第一部分和第二部分，所述第一部分通过所述提取端口与所述气体体积流体连通；以及

化学反应器，被耦合到所述提取导管的所述第二部分以从所述气体体积接收气体，所述化学反应器具有被定位为引导非燃烧反应以离解所述气体的供体物质的反应区域。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述膜具有外周边缘以及从所述外周边缘向内定位的最高点，并且其中所述提取端口被定位在所述膜的所述最高点。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述膜包括：气体释放端口，其被定位为从所述膜释放所述气体体积的一部分。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述膜的一部分是可变形的以至少部分地定义包围所述气体体积的储液器。

5.如权利要求1所述的系统，进一步包括承载化学反应器的浮动支撑结构。

6.如权利要求1所述的系统，进一步包括耦合在所述提取导管和所述化学反应器之间的涡轮以通过所述提取导管从所述气体的流动中提取能量。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述化学反应器包括第一化学反应器，并且所述反应是第一反应，以及其中所述系统进一步包括：

第二化学反应器，耦合到所述提取导管的第二部分，所述第二化学反应器具有反应区域，所述反应区域被定位为引导不同于所述第一反应的第二非燃烧离解反应；以及

阀，设置在所述提取导管的第二部分和所述化学反应器之间以路由具有第一组分的气体至所述第一反应器，以及路由具有不同于所述第一组分的第二组的气体至所述第二反应器。

8.如权利要求7所述的系统，进一步包括：

传感器，与所述提取导管流体连通；以及

控制器，耦合到所述传感器和所述阀以引导所述气体至所述第二化学反应器，当所述传感器检测到足够的具有所述第二组分的气体时。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器被耦合到所述传感器和所述阀以引导所述气体至所述第一化学反应器，当所述传感器检测到不足的具有所述第二组成的气体时。

10.如权利要求1所述的系统，进一步包括一组过滤器，其用于分离从所述提取导管接收的收获的气体水合物。

11.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

热分配器，可操作地耦合到所述提取导管，用于输送热水至所述水下区域；

可移动的拾取钟，可操作地耦合到所述提取导管，用于从内捕获区域捕获所述气体水合物；以及

外弹性边缘，可操作地耦合到所述提取导管，用于从外部捕获区捕获所述气体水化物。

12.一种用于除去和处理气体的系统，包括：

膜，其设置在水下区域之上，所述膜具有外周边缘和从所述外周边缘向内定位的内区域，所述外周边缘被定位以定义，至少部分地，包围的体积，所述膜的所述内区域的高度高于所述外周边缘的高度，所述内区域包括出口端，其被定位为允许在所述包围体积内的捕获的气体的流出；

提取导管，其被耦接至所述出口端；

支撑结构，其被定位在所述水下区域之上；

涡轮，其由所述支撑结构所承载并被耦合到所述提取导管以接收所述捕获的气体的流出；以及

化学反应器，其由所述支撑结构所承载并被耦合到所述涡轮以接收排出所述涡轮的所述气体，所述化学反应器具有反应区域，所述反应区域被定位为引导非燃烧反应离解所述捕获的气体的供体物质。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述反应器是第一反应器，所述反应区域是第一反应区域，并且所述非燃烧反应是第一非燃烧反应，以及其中所述系统进一步包括：

第二化学反应器，可操作地连接到所述涡轮，所述第二化学反应器具有第二反应区，所述第二反应区域被定位为引导不同于所述第一非燃烧反应的第二的非燃烧反应；

阀，耦合在所述涡轮和所述反应器之间以引导从所述涡轮排出的气体到一个或两个反应器；以及

控制器，具有指令，当被执行时，基于至少在所述气体的组分上的部分指引所述阀。

14.一种用于从水下区域除去和处理气体的系统，包括：

开放式底部结构，设置在至少一部分的所述水下区域之上并且至少部分地包围气体体积，所述结构具有提取端口；以及

化学反应器，耦合到所述开放式底部结构以从所述气体体积接收气体，所述化学反应器具有反应区域，所述反应区域被定位为引导非燃烧反应从所述气体的供体物质离解成分。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述开放式底部结构是大致刚性的结构。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述开放式底部结构包括膜。

17.如权利要求14所述的系统，其中所述开放式底部结构具有周缘及从所述周缘向内定位的最高点，并且其中所述提取端口被定位在所述开放式底部结构的所述最高点。

18.一种从水下区域除去和处理气体的方法，包括：

在至少一部分的所述水下区域之上部署开放式底部结构以至少部分地包围气体体积；

收集在所述开放式底部结构之下的所述气体；

从所述水下区域输送所述气体；以及

从非燃烧反应中的所述气体的供体物质离解成分。

19.根据权利要求18的方法，其中部署所述开放式底部结构包括部署膜，以及在比所述膜的周边区域更高的高度处定位所述膜的内部区域。

20.如权利要求18所述的方法，还包括：

通过在所述膜中的气体释放端口从所述气体的体积释放多余的气体。

21.根据权利要求18的方法，其中收集所述气体包括：

变形所述开放式底部结构以至少部分地定义包围所述气体体积的储液器。

22.如权利要求18所述的方法，其中输送所述气体包括输送所述气体通过在所述开放式底部结构的端口和设置在所述水下区域之上的水体的所述表面之间的提取导管。

23.如权利要求18所述的方法，其中输送所述气体包括使气体通过涡轮从燃气中提取功。

24.如权利要求18所述的方法，其中离解所述气体包括当所述气体具有第一组分时，执行第一离解反应，以及当所述气体具有不同于第一组分的第二组分时，执行不同于所述第一离解反应的第二离解反应。

25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：

识别所述气体的属性；

当所述气体具有对应于所述属性的第一组分时，路由所述气体的第一部分至所述第一反应器；

从在所述第一非燃烧反应中的所述第一部离解第一含氢成分；

当所述气体具有不同于所述第一组分且对应于所述属性的第二组时，路由所述气体的第二部分至第二反应器；以及

从在不同于所述第一非燃烧反应的第二非燃烧反应中的所述第二部分离解第二含氢成分。

26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：

当所述气体具有低于阈值等级的二氧化碳浓度时，路由所述气体到所述第一反应器；以及

当所述气体具有高于阈值等级的二氧化碳浓度时，路由所述气体到所述第二反应器。

27.如权利要求18所述的方法，其中所述供体物质包括甲烷，其中离解成分包括从所述甲烷离解氢，并且其中所述方法进一步包括：

提供所述氢作为燃料使用；以及

在离解所述氢后的剩余碳中形成固相碳基材料。

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