CN111656858B - 利用直接的电加热进行吸热反应的充填固体材料的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于进行吸热反应的可电加热的填料式承压设备，其具有上(3)，中间(1)和下设备区段(3)，其中至少一个竖向布置的电极对(4,5)安装在中间区段(1)中并且所有电极都布置在导电的固态填料(26)中，上和下设备区段具有105S/m至108S/m的比电导率，并且中间设备区段与固态填料电绝缘，其特征在于，上和下设备区段与中间设备区段电绝缘，上电极通过上设备区段连接，下电极通过下设备区段连接或者电极分别通过与这些区段电接触的一个或多个连接元件(10,16)连接并且上和下电极的横截面积与各自的导电的连接元件的横截面积之比为0.1至10，或者，在不使用连接元件的情况下，上和下电极的横截面积与相关导电设备区段的横截面积之比为0.1至10。

Description

利用直接的电加热进行吸热反应的充填固体材料的设备
技术领域
本发明涉及一种用于进行吸热反应的可加热的填料式设备，该设备可分为上，中间和下设备区段，其中上和下设备区段与中间设备区段电绝缘，该设备具有竖直布置的至少一个电极对，所述至少一个电极对被在上和下设备区段中的承压设备壳体连接，并且该设备具有与中间设备区段的侧壁电绝缘的导电的固态填料。
背景技术
高度吸热反应经常发生在化学工业价值创造链的开始，例如，矿物油馏分的裂解，天然气或石脑油的重整，丙烷的脱氢，甲烷的脱氢芳构化为苯、或烃的热解。为了实现工业上和经济上令人感兴趣的产量，需要温度在500℃至1700℃之间。其主要原因在于平衡转化的热力学限制。
吸热高温反应对工业实施提出了两个主要挑战：首先在所需的反应温度下以高功率密度引入热量，其次是产物流和反应物流之间的热量的综合回收。热量的综合回收可以弥合反应物/产物的储存温度和所需反应温度之间的温差，而所需的能量消耗却最少。
根据现有技术，流化床反应器用于吸热过程的热集成传导(Levenspiel,O.(1988),Chemical Engineering's grand Adventure.Chemical Engineering Science，43(7)，1427-1435)。为吸热反应提供热量采用了不同的概念。
US 2002/0007594公开了用于氢和含碳产物的平行制备的方法，其中将天然气引入反应空间中并在富碳固体存在下进行热分解。US 2002/0007594公开了在与用于热分解反应空间分开的反应器中加热含碳固体。加热通过在烃或氢的燃烧中形成的燃烧气体进行。随后，将加热的固体引入反应空间。
使用固体作为热载体的缺点在于，必须在单独的燃烧室中将固体加热到反应温度以上并在燃烧室和反应室之间循环。处理热固体会导致反应器和控制装置承受极大的热应力和机械应力。此外，固态颗粒的流速与反应的热量需求相关，并且整个横截面上的质量流均匀分布是实现最佳热集成的必要条件。因此，气体流和固体流之间的比例只能在狭窄的范围内调节。
WO 2013/004398公开了在反应空间外部为热载体产生热能，并使用气态热载体，该气态热载体对于分解反应是惰性的和/或该气态热载体是该反应的产物。缺点是固态颗粒的流速与热集成的要求有关。此外，分解反应的产物流通过温度下降的区域，在该区域中可以发生逆反应。
现有技术(例如，US 6,331,283)还公开了自热过程，其中吸热反应所需的热量是通过在相同反应空间中伴随的放热反应而产生的。这些自热过程的缺点是烟气对气态产物的污染，例如在烃热解的情况下，将含碳组分夹带到富氢产物流中。另一个缺点是产物产率的损失：在烃热解的情况下，热解碳大量损失。
另外，热量可以例如通过换热装置(例如，EP 15 16 8206)或通过热管(例如，US4,372,377)间接地从放热反应室传递到吸热反应室。该概念的缺点是反应室的热区段中的内部复杂性，这对垫片和避免热应力提出了高的与材料相关的要求和结构要求。此外，这些内部结构会破坏固体的流动。该概念的另一个问题是热传递表面的结垢：例如，在烃热解的情况下，热解碳优先沉积在热表面上。
US 2,982,622描述了在由惰性材料组成的移动床中烃的热集成热解。借助于电加热达到热解所需的1200℃的温度。在US 2,982,622的两个图中，电极处于水平布置形式中。在说明书中公开了竖直布置的可能性。从US 2,982,622的附图可以推断出电极衬套在反应器的热区域中。这导致了多个缺点：首先，电极衬套形成了一个热桥，可能导致大量的热损失；其次，由于必须将衬套导引穿过具有不同热膨胀的层，即由钢制成的反应器壁和由矿物材料制成的隔热层，所以衬套本身具有机械需求。结果，衬套会承受高弯曲力矩。此外，电极衬套必须具有高的热稳定性，因此必须接受一定的材料电阻。通常，使用石墨。
US 2,799,640描述了在流化床反应器中的乙炔制备，其中所需的能量通过电供应。电极可以水平或竖直布置。对于竖直布置，公开了一种环形的蜘蛛网状的电极网格。据指出，竖直布置确保了电流在整个反应器空间上的良好分布。从US 2,799,640的图中可以推断出，在电极的水平布置和竖直布置的情况下，电极衬套都在反应器的热区域中。
在AT 175243中描述了一种电炉，该电炉具有两个竖直布置的电极，用于将电流传递到炉竖井中的块状材料，其中，上电极设计为内部冷却的水平梁状空心体，并设置在块状内部材料包装内。同样在本公开中，电极衬套在反应器的高温区域中并且穿过衬砌的反应器盖。
CH 278580公开了一种竖炉，该竖炉具有两个竖直布置的环形电极，用于将电流传递到竖炉中存在的散装物料中，其中上电极设置在散装物料的填料内，而下电极直接设置在散装物料的上方。进气口短管。同样在本公开中，电极衬套在反应器的热区域中并且穿过衬砌反应器的侧壁。
US 3,259,565公开了一种用于烃热解的电加热流化床反应器。该文献没有公开关于电极的几何布置和构造的任何细节。US 3,259,565的图2示出了穿过反应器侧壁的供电线的衬套。因此，该解决方案受到进一步提到的缺点的困扰。
电极的水平布置的主要优点是电极不阻塞反应器的横截面。此外，在水平布置的情况下，竖直分割/划分的电极可以在流动方向上以受控的方式分配电流并因此分配热量输出。
竖直布置的优点包括流在反应器大横截面上的分布，以及电位线在流动方向上的平行排列以及在反应器整个高度上恒定流速的选择。
US 5,903,591，US 5,406,582和US 5,974,076描述了用于在环境压力下操作的管式反应器中碳的活化或再生的装置和方法，该管式反应器由上下叠置的两个或更多个区域组成。碳通过连接到反应器的填充漏斗在上端引入最上方区域，然后分别通过漏斗形分配器导入到下一个区域。对反应器进行电加热，同时将电流通过填充漏斗引导到最上部区域，并通过漏斗形分配器引导到中间区域。没有详细描述填充漏斗，连接元件和电极的连接。因此，US 5,903,591公开了在反应器的热区域中的两个电极衬套和在冷区域中的经由外部填充漏斗的二维端部。本发明的缺点是电流不仅通过电极而且还通过填充漏斗的壁分配到碳床。另一个缺点是电极与导流壳体的连接会产生额外的通道电阻，从而导致电能不必要地耗散到热能中。此外，在连接元件处的材料转变构成了电极的机械稳定性的弱点。最后，呈块状的石墨电极的横截面阻塞导致跨反应器横截面的固体流分配不均。
US 5,946,342描述了在电加热的移动床上的活性炭的制备和活化。US 5,946,342的图3示出了处于环形构造的电极，其具有＞50％的高横截面阻塞。电极由碳组成，其末端延伸至平行于活性炭流动方向的一点。电极的接触连接的具体方式没有描述；从US 5,946,342的图3可以清楚地看到，接触连接不是通过反应器罩盖。
US 7,288,503同样描述了在电加热的固定床中活性炭的制备和活化。使用杆状电极；电极的衬套穿过盖，并且电极与盖绝缘(参见US 7,288,503的图3)。
DE 102 36 019 A1描述了一种用于进行吸热反应的反应器，该反应器配备有一个或多个加热块，所述加热块完全充满反应器的横截面并且与反应器内壁电绝缘并且可选地彼此电绝缘，其中加热块由开孔泡沫形成。没有描述电极的接触连接方式。
尽管电加热有许多优点：
(i)在整个温度范围内，加热输出基本上是恒定的，不受热载体温度的限制。
(ii)省去燃料和热载体简化了反应器的构造，并且省去了用于计量反应区周围的相应物质流的控制回路。此外，排除了异物对工艺流的污染/稀释。这增加了反应器的操作可靠性。
(iii)可以在没有内部构件即具有未结构化的横截面的简单反应器中引入热输出。这确保了可靠的缩放比例。
(iv)加热是局部无排放的。在使用可再生的，不含二氧化碳的资源时，加热甚至完全没有排放，
迄今为止，在加热问题上的决定性和至关重要的缺点是，与化石能源载体相比，电能的价格昂贵。但是，由于能源革命，这一缺点应在未来几年内消除。
而且，迄今为止，缺乏用于在高温下进行吸热气相或气固反应的填料式反应器中的有效引入和电能的均匀分布的反应器概念。在所引用的现有技术中已经指出了通过反应器壳体进行电极接触连接的方法在实施中是不可行的。首先，反应器热区中的电连接衬套非常复杂，容易失效。其次，电极与电源的接触连接实际上是点连接。该特征具有多个缺点：电流在填料的横截面上不均匀地分布。此外，实现电极的电接触连接的连接元件具有小的横截面面积，因此具有高电阻。结果，引入的大部分电功率在连接元件和电极本身中耗散，特别是当其由石墨组成时。因此，在反应器填料中不能充分利用电能。另外，必须对连接元件和/或电极进行专门的冷却，这需要昂贵且复杂的设备构造。第三，电极和所附的连接元件的结构是不可扩展的：因此，具有小横截面面积的测试反应器中的操作条件不能代表具有大横截面面积的工业设备。
目前，在工业上，电加热仅用于一些大型过程中：例如，在氨和烃的化学气相反应中、在1300℃至1600℃的温度下、在由导电碳颗粒构成的流化床反应器中产生氰化氢或在熔体还原炉中在2000℃至2300℃之间的温度下制备电石。US 3,157,468的图2示出了氰化氢反应器，其具有竖直布置的杆状电极，每个电极具有一个电极衬套。在Ullmann的“碳化钙”一章中，提到了预焙碳电极或自焙
Figure BDA0002602639910000052
电极。现有技术中常用的类型是
Figure BDA0002602639910000051
型空心电极。电极通过三相交流电运行，并通过其周围的冷却夹具进行接触连接。由于碳是电石制备中的反应物，因此电极被消耗并且必须更换。这些设计的缺点是通过反应器壳体的各个电极的复杂的衬套，因为每个衬套都必须分别密封和电接触连接，并且必须能够实现电极的受控的轴向移动。此外，所需衬套的数量与反应器的横截面积成比例地增加。
在工业反应器中，中心轴线和反应器壳体之间可能会产生大于500K的温差。在给定的运行条件下，具有一体式设计并且在周向上被牢固地安装的所公开构型的电极网格可能会破裂。
当前没有用于进行气相中的吸热反应的或进行气固反应的商业操作的电加热填料式反应器。
大多数常规操作的高温过程是通过燃烧炉加热的。这些过程依赖于能源出口以便经济地操作。实际上，该过程中产生的热量中只有约50％用于吸热反应。因此，完全热集成仍然是遥不可及的目标。
发明内容
因此，本发明的一个目的是展示一种用于填料类吸热高温过程的适合的、可扩展的、电加热设备概念，尤其是承压反应器概念。进一步的目的是以低损失将电能引导到设备尤其是反应器的加热区中。这意味着，有利地，多于99％的被导入设备中的电功率被释放在加热区中。进一步的目的是，电流以最大均匀性流动通过加热区的完整长度；这几乎能够实现对填料的均匀加热和因此线性的转化曲线。进一步的目的是，展示具有最大热集成的填料式设备，尤其是填料式反应器。进一步的目的是在代表工业设备尤其是工业反应器的具有小横截面积的测试反应器中进行试验。此外，就一般的设备而言，电加热装置，特别是电加热反应器，通常应该具有简单的构型。
惊人地可行的是展示可电加热的填料式承压设备尤其是反应器，其具有上设备区段(3)、中间设备区段(1)和下设备区段(3)，其中呈竖直布置形式的至少一个电极对(4,5)被安装/布置在该中间区段(1)中并且所有的电极均布置/嵌入在导电的固态填料(26)中，该上和下设备区段具有105S/m至108S/m的比电导率，并且该中间设备区段与固态填料电绝缘，其中，该上设备区段和该下设备区段与该中间设备区段电绝缘，该上电极通过上设备区段连接并且该下电极通过该下设备区段连接或者这两个电极中的每个均通过与这些区段电接触的一个或多个连接元件(10,16)连接并且上电极和/或下电极优选该上电极和该下电极的横截面积与各自导电连接元件的横截面积之比为0.1至10，或者，在不使用连接元件的情况下，上电极和/或下电极优选该上电极和该下电极的横截面积与各自的导电的设备区段的横截面积之比为0.1至10。
本发明的设备在下方也称为“反应器”。
本申请中的“承压设备”被理解为指代耐受其内部与其环境之间的高于0.5bar的压差的设备。
本申请中的“罩盖”被理解为指代承压反应器壳体的端部区段。
在本申请中“连接元件”被理解为指代设备的电连接至罩盖并从罩盖上的连接点向电极导电的部件。连接元件的一个示例是固定至反应器罩盖的裙部(参见图1a)。
连接元件有利地布置在固态填料的外周上。连接元件的净横截面面积即由连接元件包围的面积有利地大于90％，优选大于95％，尤其大于98％的固态填料的横截面面积。更优选地，推定，连接元件在周向上与固态填料的边界齐平。有利地，连接元件是圆筒形的或者棱柱形的。有利地，连接元件在水平方向上覆盖小于10％，优选小于5％,尤其小于2％的固态填料的横截面面积；更优选地，连接元件不会水平地突伸到该固态填料中。连接元件有利地由与电极的材料相同的材料构成。
本申请中的“连接元件横截面”被理解为指代连接元件与具有与连接元件相交的最小面积分量的任何水平面之间相交的面积(参见图1b)。
本申请中的“电极的横截面”被理解为指代电极与接触式连接至电极的导电连接元件之间的相交面积(参见图1c)。
本申请中的“上设备区段或下设备区段的横截面”被理解为指代上或下设备区段与具有与这些区段相交的最小面积分量的任何水平面之间相交的面积(类似于图1b中的连接元件)。
本申请中的“电绝缘”被理解为指代固态填料与反应器的中间区段的侧壁之间以及上和下设备区段例如罩盖与反应器的中间区段的侧壁之间的根据标准DIN VDE 0100-600:2017-06(发布日期2017-06)测得的欧姆电阻大于1kΩ，优选大于100kΩ，尤其是大于1MΩ。
本申请中的“反应器的侧壁”被理解为指代反应器壳体(1)的基本上竖直取向的部分。沿该侧壁，穿过该反应器的水平截面具有基本上相同的分量(固态填料的横截面积)。
上电极和/或下电极优选上电极和该下电极的横截面面积与各自导电连接元件的横截面面积的比例有利地为0.1至10，优选为0.3至3，尤其是0.5至2。有利地，电极的横截面面积(例如呈网格形式的电极的所有电极杆的横截面面积)在0.1cm2至10 000cm2，优选1cm2至5000cm2，尤其10cm2至1000cm2的范围内。有利地，导电连接元件的横截面面积在0.1cm2至10 000cm2，优选1cm2至5000cm2，尤其10cm2至1000cm2的范围内。横截面面积电极(上)/横截面面积连接元件(上)的比值的计算结果和横截面面积电极(下)/横截面面积连接元件(下)的比值的计算结果分别在图22和23中示出。
在不使用连接元件(在电极与上或下连接区段)的情况下，上和/下电极优选上和下电极的横截面面积与各自导电设备区段的横截面面积之间的比例优选为0.1至10，优选为0.3至3，尤其是0.5至2。有利地，电极的横截面面积在0.1cm2至10 000cm2，优选在1cm2至5000cm2，尤其在10cm2至1000cm2的范围内。有利地，上和/或下设备区段的横截面面积在0.1cm2至10 000cm2，优选在1cm2至5000cm2，尤其在10cm2至1000cm2的范围内。
有利地，1伏特至10 000伏特，优选10伏特至5000伏特，更优选50伏特至1000伏特的电势差(电压)被施加在上设备区段与该下设备区段之间，例如两个反应器罩盖之间。罩盖之间的电场强度有利地在1V/m与100000V/m，优选在10V/m与10 000V/m之间，进一步优选在50V/m与5000V/m之间，尤其在100V/m与1000V/m之间。
固态填料的比导电率有利地为从0.001S/cm至100S/cm，优选地从0.01S/cm至10S/cm，尤其是从0.05S/cm至5S/cm。
这有利地导致0.01A/cm2至100A/cm2，优选0.05A/cm2至50A/cm2，特别是0.1A/cm2至10A/cm2的固态填料中的电流密度。
反应器有利地被分成多个区域。有利地，以下结构从底部向上地布置：用于颗粒的出口、气体入口(12)、下热传递区、下电极(5)、加热区、可选地具有侧线抽出部(19)的上电极(4)、上热传递区、用于气态产品流的出口(7)和用于颗粒流的进口(6)。
下热传递区是介于气体入口的上边缘与下电极的上边缘之间的竖直区域。
该上热传递区是介于上电极的下端部与固态填料的上端部之间的竖直区域。
在反应器横截面中的任意点处的加热区被定义为上电极的下端部与下电极的上端部之间的竖直距离。
有利地，上电极的底侧与下电极的顶侧在整个反应器横截面上是水平的。因此，加热区尤其是介于电极之间的区域的长度有利地在整个反应器横截面上的均匀的。加热反应器横截面有利地为0.005m2至200m2，优选地为0.05m2至100m2，更优选地为0.2m2至50m2，特别是1m2至20m2。加热区的长度有利地介于0.1m与100m之间，优选地介于0.2m与50m之间，更优选地介于0.5m与20m之间，尤其是介于1m与10m之间。加热区的长度与等效直径之间的比例有利地为0.01至100，优选为0.05至20，更优选为0.1至10，最优选为0.2至5。
电极有利地就位于固态填料内(参见图1和2)。固态填料的上边缘(在倾斜的情况下为最低点)与上电极中的电极板的下边缘之间或者在不使用电极板的情况下与上电极中的电极杆的下边缘之间的竖直距离有利地为10mm至5000mm，优选100mm至3000mm，进一步优选地200mm至2000mm。该区段有利地占固态填料的总高度的1％至50％，优选2％至20％，更优选5％至30％。
下电极中的电极板的上边缘与用于气态反应物的进口之间的竖直距离有利地为10mm至5000mm，优选为100mm至3000mm，进一步优选地为200mm至2000mm。该区段占固态填料的总高度的1％至50％，优选占2％至20％，更优选占5％至30％。
用于颗粒流的进口(6)与固态填料的上边缘之间的竖直距离有利地为50mm至5000mm，优选地介于100mm与3000mm之间，更优选地介于20mm与2000mm之间。
电极可呈本领域技术人员已知的所有形式。例如，电极呈网格形式(图12、图13、图14)或杆的形式(图16)。
当采用杆的形式时，趋向于一点的多个电极杆是特别有利的。优选地，上电极杆和下电极杆趋向于朝向加热区侧的一点。末梢是圆锥形的(图16a)或楔形的(图16b)。相应地，杆的端部可呈点或线的形式。图17示出了配备有杆状电极的本发明的反应器的示意图。图18示出了反应器上罩盖的详细视图。与US 3,157,468或US 7,288,503相比，例如，杆状电极以导电的方式连接至罩盖并共同地经由罩盖供应电能。
优选地，电极呈网格形式。对于网格形式而言，可以想到各种不同构型的变体，例如有利地由正多边形(图12a)构成的呈蜂窝形式的网格、由平行的杆形成的矩形网格(图12b)、由辐条形成的网格(图13)或由同心环形成的网格(图14)。特别优选的是呈辐条形式的网格和由同心环构成的网格。
特别优选的是呈格栅形式的电极，其以固定的方式承载在上或下设备区段的内部上，例如罩盖的内部上，或承载在连接元件例如固定至设备区段的裙部上。
以固定的方式承载被理解为指代刚性主体至其环境的连接，借助于该连接来防止主体与其环境在任何方向上的相对运动。
例如，呈辐条形式的网格有利地由以星形布置的条形成，这些条悬置在罩盖上或固定在其上的连接元件上(图13a)。和术语“条”一样，现有技术还使用术语“辐条”、“载体”或“轨条/轨道”。
在另外的构型中，呈辐条形式的网格有利地由呈星形布置的条形成，这些条悬置在罩盖上并且承载与其正交的电极板(图13b)。和术语“电极板”一样，现有技术还使用术语“翼部”、“翅片”或“侧型板”或“横向条”。
在另一构型中，网格有利地由经由径向条连接的同心环形成(图14a,14b)。根据DE69917761T2[0004]的定义，网格形状是“分形缩放的(fraktal skaliert)”。
电极，即电极条和电极板将反应区的横截面分割成多个网格单元。反应区是反应器中填充有固态填料的体积。网格单元是闭合的或者反应器截面的凸形区域段由电极网格界定。例如，图12a示出了闭合的区域元件；这些由于罩盖(10)或(16)内的蜂窝状网格(46)导致。例如，在图12b中，这些单元是介于两个相邻的条(46)与罩盖的对应的弧形段之间的条带。在图12-14中，这些区域是各自的网格单元，这些网格单元由连续的线或虚线界定。例如，在图13a中，这些单元由网格(4,5)的相邻的辐条和可选地由虚线圆形线或由罩盖(10,16)界定。例如，在图13b中，这些单元由条的相邻的电极板、相应的条部段和两个相邻网格之间的虚线中心线界定。例如，在图14a和14b中的单元是闭合的区域元件，它们由相邻的条和环或由反应器罩盖界定。
网格单元的特征在于以下参数：开放的横截面、等效直径(
Figure BDA0002602639910000111
-lenterDurchmesser)、不圆度和横截面阻塞。
本发明中的术语“开放的横截面”被理解为指代单元的横截面的流可经其通过的区域。本申请中的术语“等效直径”被理解为指代与网格单元面积相等的圆的直径。本申请中的术语“不圆度”被理解为指代同心的两个圆之间的、完全包围网格单元的边缘线的环的最小宽度。不圆度具有长度的尺寸。圆的不圆度是零。本发明中的术语“横截面阻塞”被理解为指代固态填料的横截面的被电极覆盖的比例，该比例是基于固态填料(反应区)的总横截面面积的。
网格单元的开放的横截面有利地介于4cm2与10 000cm2之间，优选介于20cm2与3000cm2之间，更优选介于100cm2与1000cm2之间。开放的横截面因此独立于反应器直径并且网格单元的数量几乎与反应器横截面成比例。
网格单元的等效直径有利地介于10mm与2000mm,之间，优选介于20mm与1000mm之间，更优选介于50mm与500mm之间。
网格单元的不圆度有利地介于1cm与10m之间，优选地介于1cm与2m之间，更优选介于1cm与1m之间，特别是介于1cm与50cm之间。标准化的不圆度定义为不圆度与网格单元的等效直径的商。优选地，标准化的不圆度不小于1并且小于100，优选不小于0并且小于10，尤其是不小于0并且小于5。例如，图12a、12b和13a中的视图示出了各网格单元的不圆度。
电极的横截面阻塞有利地介于1％与50％之间，优选介于1％与40％之间，更优选介于1％与30％之间，特别是介于1％与20％之间。
呈网格形式的电极的比表面积，即电极的周长(即反应器竖直投影中电极与床之间的接触线的长度)与床的横截面积之间的商，有利地为0.01m2/m3至500m2/m3，优选0.1m2/m3至100m2/m3，更优选1m2/m3至50m2/m3，特别是2m2/m3至20m2/m3。
电极即条和电极板的材料有利地为铁、铸铁或合金钢、铜或铜基合金、镍或镍基合金、难熔金属或基于难熔金属的合金和/或导电陶瓷。更特别地，条由合金钢构成例如根据DIN EN10027-2(发布日期2015-07)材料号为1.0401,1.4541,1.4571,1.4841,1.4852,1.4876的合金钢；由镍基合金构成例如材料号为2.4816,2.4642的镍基合金；由钛尤其是材料号为3.7025,3.7035,3.7164,3.7165,3.7194,3.7235的合金构成。在难熔材料中，Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W或其合金是特别有利的；优选地，Mo,W和/或Nb或其合金，尤其是钼和钨或其合金。此外，条可包括陶瓷如碳化硅和/或碳，例如石墨，其中，陶瓷可以是整体式的或者是纤维增强复合材料(如陶瓷基质化合物、CMC、碳纤维复合材料、CFC)。
有利地，电极的材料根据使用温度来选择。有利地，在-50℃至1250℃的范围内，优选地在-50℃至1000℃的范围内，进一步优选地在-50℃至750℃的范围内，尤其是在-50℃至500℃的范围内选择钢。有利地，在-50℃至1800℃的范围内，优选地在-50℃至1400℃的范围内，尤其在-50℃至1300℃的范围内选择钼。有利地，在-50℃至2000℃的范围内、优选地-50℃至1600℃的范围内，尤其是在-50℃至1300℃的范围内选择碳纤维增强的碳。
在一个具体应用中，电极可由多种材料构成。当使用多种材料时，电极有利地在其长度上被分成由不同材料构成的多个区段。在不同区域中的材料的选择有利地通过以下标准来指导：热稳定性、导电性、成本。有利地，由不同材料构成的这些区段是以力配合方式或内聚方式/材料配合的方式彼此结合的。有利地，区段之间的连接部是平滑的。
电极可以有利地实施为实心电极或空心电极。在实心电极的情况下，有利地，根据本设计，电极杆，电极条和/或电极板是实心体。在空心电极的情况下，有利地，根据本设计，电极杆，电极条和/或电极板是空心体。电极内的空腔可有利地形成可用于将气态流引入反应区或用于将气态流从反应区去除的通道。空心电极的壁有利地由开缝的板，穿孔板，已扩张的金属网格或网眼织物形成。
根据图13a和图13b的辐条形式的网格电极：
辐条形式的网格有利地具有多个电极条，有利地具有2至30个电极条，优选地3至24个电极条，特别是4至18个电极条。在这些电极条的每一个上有利地固定1至100个电极板，优选地固定2至50个电极板，特别是固定4至20个电极板。
这些条的长度有利地在1cm至1000cm之间，优选地在10cm至500cm之间，特别是在30cm至300cm之间。这些条的高度有利地在1cm至200cm之间，优选在5cm至100cm之间，特别是在10cm至50cm之间。这些条的厚度(在最厚的点处)有利地在0.1mm与200mm之间，优选地在1mm与100mm之间。
条和电极板的侧面轮廓有利地为矩形，梯形或三角形(图9，图10)，但是也可以想到其他几何形状，例如圆形/倒圆的形式。有利的是，上电极中的条和板的下边缘和下电极中的条和板的上边缘是水平的(图9，图10)。
条和电极板的横截面有利地为双凸面形，菱形或六边形(图11)。在这种情况下，条的上端部和下端部有利地延伸到一点。条或电极板在上端部和下端部处(在尖端处)的厚度有利地在0.001mm至10mm之间，优选地在0.001mm至5mm之间，特别是在0.001mm至1mm之间。
在俯视图中，条和电极板的轮廓有利地是直线的或锯齿形或波形的。波形轮廓有利地是正弦形的或矩形的(图7)。在锯齿形和波形的轮廓的情况下，齿或波的宽度有利地为1cm至200cm，优选为1cm至100cm，进一步优选为1cm至50cm；齿或波的高度有利地为1mm至200mm，优选为1mm至100mm，进一步优选为1mm至50mm。
可选的电极板结合到所述条，并且在反应器的俯视图中，有利地正交于所述条取向。有利的是，电极板在电极板的中间或一个端部处结合到条上。有利地，电极板和条之间的接触表面构成用于定位电极板的唯一的固定支承部。相应地，两个端部是自由的，或者一个端部是自由的，这意味着它未固定连接至其它电极板或其它条。结果，电极板可以通过热膨胀以无应力的方式变形。
条上的相邻电极板之间的距离有利地是1mm至2000mm，优选地5mm至1000mm，特别是10mm至500mm。
在弯曲/不平坦的电极板的情况下，该长度应理解为是指圆周长度。电极板的长度有利地在从外电极环到反应器中间的半径范围内线性减小。有利的是，条上的每个板的长度与其距反应器横截面中心点的距离成正比。在这种情况下，电极板的长度应理解为是指最外面的电极板的长度。电极板的长度有利地是1cm至1000cm，优选地2cm至500cm，进一步优选地5cm至200cm，尤其是10cm至100cm。电极板的高度有利地是1cm至200cm，优选地2cm至100cm，进一步优选地5cm至50cm，尤其是10cm至50cm。条上的各个电极板的厚度是恒定的。电极板的厚度(在最厚点处)，即格栅厚度，有利地为0.1mm至100mm，优选为1mm至50mm。电极板的高度与厚度的比例有利地为1至500，优选为2至250，进一步优选为5至100，尤其是10至50。
在辐条形式的网格的情况下，反应器内的电极条有利地以星形方式延伸。有利地，各个电极条不相互连接。电极条有利地在其外端与反应器罩或在反应器罩上的连接元件例如裙部连接。有利地，电极条的另一端是自由的，这意味着它与其他电极条没有固定的连接。有利的是，在电极条和上或下设备区段，例如罩或连接元件，例如裙部之间的接触区域是用于固定电极条的唯一的固定轴承，称为单个固定轴承。相应地，电极条的另一端是自由的，从而电极条可以通过热膨胀以无应力的方式变形。
条和电极板的上边缘和下边缘有利地彼此偏移。条和板的偏移边缘避免了可能导致床停滞的节点。图15通过示例的方式示出了下电极的优选变体。在每种情况下显示的是分配给单个条的网格段。在根据图15a的变型中，电极板的上边缘布置成高于条的上边缘。在根据图15b的变型中，电极板的上边缘布置成低于条的上边缘。电极板的上边缘和条的上边缘之间的偏移有利地为-500mm至500mm，优选为-200mm至200mm，更优选为-100mm至100mm。负值表示电极板的上边缘被布置成比条的上边缘低。电极板的下边缘和条的下边缘之间的偏移有利地是-500mm至500mm，优选地-200mm至200mm，更优选地-100mm至100mm。负值表示电极板的上边缘被布置成比条的上边缘低。
根据图14a和图14b的分形缩放的网格电极：
同心环的网格(分形缩放的电极)有利地具有实际上呈星形延伸的电极条和呈圆弧形段形式的电极板。条和电极板的上边缘和下边缘有利地在高度上彼此偏移。这些条在两侧连接到电极板上，电极板在一个圆弧段内是连续的，例如在图14a中为1/4圆，在图14b中为1/6圆。条的数量从里到外增加。外环的条固定在反应器罩盖上。条的数量和布置遵循以下规则：网格的芯部直径为2＊s，没有任何条，被视为环1。构建其他环的递推公式为：环i的外径为2＊i＊s并且具有均匀分布在角度坐标上的n＊i个条。在每个偶数环中，条都顺时针旋转π/(n＊i)rad“。s表示环的宽度。n是自然数，用作递推的基础。环宽度s有利地是1mm至2000mm，优选地5mm至1000mm，尤其是10mm至500mm。n有利地是2至30之间的数，优选地是2至20之间的数，尤其是2至10之间的数。图14a示出了具有基部4的网格，图14b示出了具有基部6的网格。通常，通过递推公式在它们的范围上可扩展的结构称为分形缩放结构。
在分形缩放的网格中，反应器内的电极条有利地呈星形延伸。有利的是，圆弧形的相邻的电极板不部分或分段地彼此连接。网格因此有利地被分成多个段，有利地是2至30个段，优选2至20个段。外部电极条有利地在其外端部处连接到反应器罩盖或连接至反应器罩盖上的连接元件，例如裙部。有利地，电极条与上或下设备区段例如罩盖或连接元件(例如裙部)之间的接触表面构成用于定位网格段的唯一的固定支承部，称为单个固定支承部。因此，网格段可以通过热膨胀以无应力的方式(即在不与相邻的网格段接触的情况下)变形。
反应器壳体的上和下区段有利地分别形成用于上和下电极的触点。电极有利地通过反应器壳体的端部区段(也称为反应器罩盖)接触连接(见图4和图5)。有利地，反应器罩盖在外部具有一个或多个电连接部(8)和(17)，优选地具有一到三个连接部。
任选地，反应器罩盖相应地具有连接元件，例如伸入反应器中间区段中的裙部(10)，(16)；术语“裙部”应理解为是指罩盖在密封表面的内侧上至侧壁(11)，(18)的延续。有利地，电极在罩盖的裙部处被连接。反应器罩盖和电极之间的接触连接可以通过内聚结合例如焊接或钎焊，通过力配合结合例如螺钉连接或夹紧或通过形状配合结合来实现，例如通过叉指/指状连接、榫舌和凹槽、或通过销钉和螺栓。优选的连接类型取决于电极条的材料。优选将金属电极条焊接或钎焊到罩盖上。非金属电极条优选地通过组合的形状配合和力配合或内聚结合而连接到罩盖，例如，榫舌-凹槽连接与螺钉连接，与铆钉连接或与粘合剂结合的组合。
在星形且分形缩放的网格的情况下，电极条有利地在其外端部处结合至反应器罩盖或反应器罩盖的裙部。
电极与上或下设备区段(反应器罩盖或与罩盖接触连接的连接元件(例如裙部))之间的接触面积有利地在0.1cm2至10000cm2之间，优选在1cm2至5000cm2之间，尤其是10cm2至1000cm2之间。使用连接元件，例如裙部，反应器罩盖和接触连接至罩盖的连接元件之间的接触面积有利地在0.05cm2与200000cm2之间，优选在0.5cm2与50000cm2之间，特别是在50cm2与10000cm2之间。
有利地，在上设备区段和连接元件之间的接触表面处的温度有利地小于600℃，优选地小于450℃，更优选地小于150℃，有利地在0至600℃的范围内，优选地在10℃至450℃的范围内。
连接元件例如裙部的横截面积与固态填料的横截面积之比有利地为0.001至0.2(0.1％至20％)，优选0.002至0.1(0.2％至10％)，更优选0.5％至5％。导电罩盖的横截面积与固态填料的横截面积之比有利地为0.001至0.2(0.1％至20％)，优选0.002至0.1(0.2％至10％)，更优选0.005至0.05(0.5％至5％)。
在罩盖-电极单元中，有利地耗散了所引入的总电能的小于5％，优选小于2％，更优选小于1％，特别是小于0.1％。优选地，被耗散的能量的范围是0％至5％，优选0％至2％，尤其是0％至1％。结果，电能几乎可以完全用于电极之间的填料的加热。“被耗散的能量”应理解为是指通过区域中的欧姆电阻将电能转换成热能。由于罩盖-电极单元的低欧姆电阻而实现了低能量耗散。罩盖-电极单元中任意两点之间的欧姆电阻有利地为10-12Ω至10-3Ω，优选为10-12Ω至10-5Ω，特别是10-12Ω至10-7Ω。通过选择罩盖-电极单元的材料和尺寸，可以实现罩盖-电极单元的欧姆电阻。对于甲烷热解反应系统，在实施例中描述了具体尺寸。
承压反应器壳体有利地由上反应器区段(1)，中间反应器区段(2)和下反应器区段(3)组成。用于反应器壳体的优选材料是例如材料号为1.4541、1.4571的合金钢。上和/或下设备区段的优选的比电导率有利地在105S/m至108S/m之间，优选在0.5×106S/m至0.5×108S/m之间。承压反应器外壳体的比欧姆电阻率有利地在10-8Ωm至10-5Ωm之间，优选在210-7Ωm至2 10-6Ωm之间。
例如，反应器的上区段和下区段包括反应器壳体的末端。上反应器区段有利地构造为罩盖。下反应器区段同样有利地构造为罩盖，特别是锥形罩盖(具有用于固体颗粒的锥形出口的罩盖)。
上反应器区段，有利地是反应器罩盖，有利地具有以下连接部(参见图4)：电源(8)，固体入口(6)和可选的分配器(9)(例如呈锥形分配器的形式)、用于产物流(有利地用于气态产物流)的一个或多个出口(7)、用于传感器的进口(例如用于温度测量的传感器，用于料位测量的传感器，用于浓度测量的传感器，用于压力测量的传感器)。
下反应器区段，有利地是锥形反应器罩盖，有利地具有以下连接部(参见图5)：用于产物流(有利地用于固态产物流)的锥形出口(14)、用于下电极的电源(17)、用于反应物流(优选用于气态反应物流)的至少一个入口(12)、用于传感器的进口(例如用于温度测量的传感器，用于浓度测量的传感器，用于压力测量的传感器)。
反应物流(或可选地多个反应物流)有利地经由环形分配器(13)或经由沿周向分布在下反应器罩盖上的多个进口引入。借助于连接到其上的板形分配器(12)，可以将反应物流均匀地分布在进料平面的整个横截面上。可选的板形分配器在俯视图中有利地具有与电极相同的形状，并且因此与电极具有相同的竖直排列/对齐。替代地，分配器由多个单个元件组成，每个元件均有利地安装在电极的元件的下方。
中间反应器区段有利地是圆筒形的或棱柱形的(见图3)。该区域有利地内衬有电绝缘衬里(21)，该衬里在高达约2000℃，优选地高达约1700℃，优选地高达约1400℃，优选地高达约1200℃的温度下是热稳定的。该区段限定出加热区的长度。中间反应器区段的长度有利地在0.25m至100m之间，优选在0.5m至50m之间，更优选在0.75m至20m之间，特别是在1m至10m之间。
中间反应器区段的上边缘与固态填料的上边缘之间的竖直距离有利地为-2000mm至2000mm，优选为-1000mm至1000mm，更优选为-500mm至500mm。负值表示中间反应器区段的上边缘布置成低于固态填料的上边缘。中间反应器区段的上边缘与上电极上的电极板的下边缘之间的竖直距离有利地为10mm至5000mm，优选为100mm至3000mm，进一步优选为200mm至2000mm。下电极上的电极板的上边缘与气态反应物的进口之间的竖直距离有利地为10mm至5000mm，优选为100mm至3000mm，进一步优选为200mm至2000mm。
电绝缘具有以下功能：(i)使罩盖与反应器的侧壁即反应器壳体的中间区段绝缘，以及(ii)使床与反应器的侧壁绝缘。
通常，将有利地包含氧化铝、氧化锆、以及铝，镁，铬，硅的混合氧化物的耐火岩用作电绝缘衬里(例如，参见Patrick Gehre的论文：Korrosions-und
Figure BDA0002602639910000191
Feuerfestmaterialien fürFlugstromvergasungsanlagen auf AI203-Basis-Werkstoffentwicklung undKorrosionsuntersuchungen(TU Freiberg，2013)。
有利地，中间反应器区段相对于两个罩盖是电绝缘的。例如为此分别使用由电绝缘材料构成的中间环(23)和(25)，该中间环有利地以气密/不透气体的方式夹在中间反应器区段和上反应器罩盖(11)之间或中间反应器区段与下反应器罩盖(18)之间。中间环有利地由搪瓷的或塑料覆盖的金属构成、由塑料例如PTFE或PEEK构成或由气密陶瓷构成。替代地，可以将由电绝缘材料例如云母构成的密封环直接夹在中间反应器区段的法兰与反应器罩盖的法兰之间。中间环的厚度有利地是2mm至500mm，优选地3mm至200mm，更优选地5mm至100mm。
有利的是，上和/或下设备区段，例如上罩盖是双壳体设计的(见图6)。罩盖(41)的外壳体有利地围绕有利地构成内壳体的上述罩盖(3或31)。内壳体有利地是导电的连接元件。有利地，外壳体与内壳体电绝缘。有利地，外壳体通过法兰(22或42)连接到中间反应器区段(1)。有利地，将垫圈插入在法兰(42)和(22)之间。有利地，垫圈是平坦的垫圈，透镜垫圈，O形环垫圈或焊接唇形垫圈。另外，外壳体(41)有利地包括用于连接件(6)，(7)，(8)的衬套(43)，衬套被引导到罩盖的内壳体中。衬套有利地是可拆卸的，从而可以将外壳体单独地法兰连接到反应器上或从反应器移除(参见图19和图20)。
通过双壳体罩盖的衬套的有利构型对于本领域技术人员是已知的，例如在US 7,842,846B2中有所描述。在本发明中，衬套有利地附加地以电绝缘设计位于内壳体和外壳体之间。图19通过示例的方式示出了用于颗粒流进入反应器中的衬套(6)。固体颗粒流有利地被引导通过设有法兰(52)的入口管(58)。入口管有利地由金属材料构成，优选地由金属管构成，该金属材料已经被电绝缘层例如搪瓷包围。衬套有利地包括两个同心的圆筒状短管，其外短管(51)被固定到罩盖的外壳体，而内短管(54)被固定到罩盖的内壳体。有利地，内短管具有补偿器，该补偿器允许内短管在纵向方向上具有挠性/柔性。有利的是，内短管终止于螺纹板，该螺纹板的外周长小于外短管的周长。外短管有利地终止于设备法兰。有利地，内法兰和外法兰以气密方式被夹紧在中间环(53)上。内短管和外短管有利地彼此电绝缘。为此目的，有利的是，金属构成的中间环通过由电绝缘材料例如云母或塑料制成的平坦的垫圈(55)夹紧在一方面入口管的法兰与另一方面外短管的法兰和内短管的螺纹板之间。有利地，将由电绝缘材料例如塑料或氧化物陶瓷构成的套筒(57)插设在固定螺钉和中间环之间。
替代地，中间环可以由电绝缘材料构成，例如塑料，PEEK或致密烧结的氧化物陶瓷。替代地，金属构成的中间环可以已经涂覆有电绝缘材料，例如搪瓷或塑料。有利的是，中间环抵靠外短管的垫圈是平坦的垫圈，透镜垫圈，O形环垫圈或焊接唇垫圈。
图20通过示例的方式示出了引导到罩盖的内壳体中的供电线的衬套。该衬套包括被钎焊在或压在内壳体(2)的外侧上的销(63)。该销通过螺纹连接或夹紧连接方式连接到附接至电源的套管(64)。该套管在下端部具有箍圈。销松动/宽松地插入由电绝缘材料构成的陶瓷套筒(65)中。该套筒有利地由氧化物陶瓷构成。该套筒优选地由金属构成并且被搪瓷层包裹。陶瓷套筒又插入到管状接头(61)中。该管状接头焊接到罩盖(27)的外壳体上。所述管状接头有利地包括补偿器和焊接法兰。管状接头(61)、绝缘套筒(65)和套管(64)通过活套法兰(62)夹紧。平坦的垫圈(66)已插入到管状接头(61)与套筒(65)之间以及套筒(65)与管状接头(64)之间。有利地，平坦的垫圈由云母构成。可替代地，垫圈可以被设计为O形环垫圈。有利地，将由例如塑料或氧化物陶瓷的电绝缘材料构成的套筒(67)插入固定螺钉和外管状接头的法兰之间。
有利地，根据图6和图7的罩盖的外壳体包括用于惰性气体流的入口(44)和出口(45)的连接部，所述惰性气体流例如包括氮气，氩气，二氧化碳和/或水蒸气。惰性气体吹扫罩盖的内壳体和外壳体之间的壳体空间。有利地，壳体空间中的压力设定为比紧邻的反应区部分中的压力略高的水平。壳体空间与紧邻的反应区部分之间的压力差有利地为1毫巴至500毫巴，优选为1毫巴至100毫巴，更优选为1毫巴至50毫巴。该差的调节对于本领域技术人员是已知的，例如在WO 2013017609A1中有所描述。
反应器尺寸取决于反应体系和期望的容量。对于甲烷热解反应体系，在实施例中描述了具体尺寸。
本发明的填料式反应器有利地包括由导电材料构成的固体颗粒的无规床。该床在其整个高度上可以是均质的或结构化的。均质床可以有利地是固定床，移动床或流化床，特别是移动床。在其整个高度上被结构化的床有利地在下部是固定床，在上部是流化床。替代地，结构化床有利地在下部是移动床而在上部是流化床。替代地，固态填料有利地包括由导电材料构成的结构化内部构件，例如蜂窝状整料，诸如Sulzer的Mellapak填料的交叉板，诸如Sulzer的SMX混合器的静态混合器或松散颗粒。结构化的内部构件优选地包括金属，碳化硅或碳，并在电极之间形成连续的导电路径。可选地，结构化的内部构件的中空体积全部或部分填充有固体颗粒。固体颗粒有利地形成固定床，移动床，流化床或滴流床。颗粒可以有利地由导电材料和/或电绝缘材料构成。
有用的热稳定的导电的结构化填料包括由金属和/或导电陶瓷例如碳化硅，碳和包含这些物质的复合材料制成的内部构件。
在本申请中，“热集成”被理解为是指在过程中热物料流和冷物料流之间的逆流热交换，其效果是热物料流的显热被用来加热冷物料流。这实现了所涉及的物料流的温度变化，而没有热传递超过过程极限。
本发明的反应器提供了有利的特征，以实现用于吸热高温过程的热集成操作模式。这些特征特别是(i)固态颗粒流与气体流之间的逆流流态，以及(ii)调节反应区内加热区的位置，从而形成在上端部的用于热产物气体和固态颗粒冷流之间的逆向热交换的热传递区和在下端部的用于固体产物流和冷气体进料之间的逆向热交换的热传递区。
通过在热传递区中的气态反应介质和固态反应介质的热容流量的有利比率最小化气体和固体填料之间的热传递阻力来实现热集成效率。热集成效率的量度是热集成效率：η＝(反应区温度-主流的气体出口温度)/(反应区温度-固体入口温度)。
热集成效率有利地大于60％，优选地大于65％，进一步优选地大于70％，进一步优选地大于80％，进一步优选地大于90％，尤其是大于95％。热集成效率有利地在60％至99.5％的范围内。
热传递单元的长度主要由以下参数决定：(i)散装颗粒的特性，例如粒径，导热率，发射系数，(ii)气相的特性如传导率，以及(iii)操作条件，例如压力，温度，吞吐量。
气体和固体填料在热传递区中的热交换中的热传递阻力有利地具有0.01至5m，优选0.02至3m，更优选0.05至2m，尤其是0.1至1m的传递单元的长度或传递单元的高度(HTU)。HTU的定义来自http//elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/2350/1/docu_FU.pdf第74页。
热容流率是物质流的质量流量和比热容的乘积。有利地，气态过程流和固态过程流之间的热容流量之比为0.5至2，优选为0.75至1.5，更优选为0.85至1.2，尤其是0.9至1.1。通过进料流以及可选地通过副流/子流的侧进料或侧抽取来调节热容流量的比率。
在反应区的上端部，特别是在固态填料的上边缘处固态颗粒的进料流和气态产物流的出口温度之差有利地为0K至500K，优选0K至300K，进一步优选0K至200K，尤其是0K至100K。
在反应区的下端部，特别是在从反应器提取固体产物流的位置处，气态进料流和固体产物流的出口温度之差有利地为0K至500K，优选0K至300K，进一步优选0K至200K，尤其是0K至100K。
中间反应器区段有利地具有用于侧线气体侧线提取部的连接部。有利地，侧线提取部有利地是位于移动床和反应器中的气体可渗透区域之间的孔口，该气体可渗透区域与移动床隔离并且连接到反应器壳体中的单独的孔口。至反应区的侧线提取部的孔口可以有利地是连续的或通过固定通道(19)分成多个段。固定通道(19)优选地集成到电极条中。通道可组合以形成环形收集器(20)。该侧线提取部可以有利地用于从反应区提取一部分反应气体。
有利地，侧线提取部是加热区的上端部处的限高区域。更优选地，相对于上电极的位置，该侧线提取部的位置如下：
相对于上电极的下端部，侧线提取部的下端部的位置有利地为-2000mm至2000mm，优选地为-1000mm至1000mm，进一步优选地为-500mm至500mm，尤其是-500mm至0mm。负值表示侧线提取部的下端部低于上电极的下端部。
相对于上电极的下端部，该侧线提取部的上端部的位置有利地是-2000mm至3000mm，优选地-1000mm至2000mm，进一步优选地-500mm至1000mm，尤其是0至1000mm。负值表示侧线提取部的上端部低于上电极的下端部。
相对于中间反应区的上端部，该侧线提取部的上端部的位置有利地为-3000mm至-100mm，优选为-2000mm至-100mm，进一步优选为-1000mm至-100mm，特别是-500mm至-100mm。负值表示侧线提取部的上端部低于中间反应区的上端部。
引导通过侧线提取部的总体积流量的比例有利地为0％至100％，优选为0％至80％，进一步优选为0％至60％，特别是0至40％。
侧线提取降低了上热传递区中的气态流的热容流量，并使之与待在移动床中被加热的固体流的热容流量相匹配，该固体流与该气态流逆向流动。侧线提取影响上热传递区的位置，即在移动床中具有最大幅度的负温度梯度的点的位置。有利地，上热传递区的位置在移动床的上端部下方的一定距离处，该距离有利地为10mm至3000mm，优选为100mm至2500mm，进一步优选为200mm至2000mm，特别是300mm至2000mm。
侧线提取的另一个优点是被提取的流的温度接近最高温度。由于高温，该流可以以各种方式有效地利用。由侧线提取获得的气体流例如可以用作下游反应阶段中的反应气体(参考热解/逆水煤气变换反应的偶合)。
侧线提取的另一个优点是电极在加热区上方位于较冷的温度区域中。因此，尽管加热区域中的温度非常高，但仍能为电极选择仅在较冷温度区域中可用的材料。
生产床的载体材料有利地在500℃至2000℃，优选1000℃至1800℃，进一步优选1300℃至1800℃，更优选1500℃至1800℃，特别是1600℃至1800℃的范围内是热稳定的。
生产床的载体材料有利地在10S/cm与105S/cm之间的范围内导电。
特别是用于甲烷热解的有用的热稳定载体材料有利地包括含碳材料，例如焦炭、碳化硅和碳化硼。可选地，载体已经涂覆有催化材料。这些热载体材料相对于沉积在其上的碳可以具有不同的膨胀能力。
颗粒具有规则和/或不规则的几何形状。规则形状的颗粒有利地是球形或圆柱形的。
颗粒有利地具有0.05mm至100mm，优选0.1mm至50mm，进一步优选0.2mm至10mm，尤其是0.5mm至5mm的粒度，即通过用特定的筛目尺寸筛分而确定的等效直径。
使用例如颗粒形式的含碳材料也是有利的。在本发明中，含碳颗粒材料应理解为是指有利地由具有至少50重量％，优选至少80重量％，进一步优选至少90重量％的碳，尤其是至少90重量％的碳的固体颗粒组成的材料。
在本发明的方法中可以使用多种不同的含碳颗粒材料。这种颗粒材料可以例如主要由木炭，焦炭，焦炭屑和/或它们的混合物组成。另外，基于颗粒材料的总质量，含碳颗粒材料可包含0重量％至15重量％，优选0重量％至5重量％的金属，金属氧化物和/或陶瓷。
本发明的反应器设计的有利变型是具有直接电加热的催化固定床反应器。图21示出了本发明的反应器的示意图。该反应器有利地分为多个区域。有利地，从上到下的布置如下：气体入口(73)、上电极(4)、加热区、下电极(5)、气态产物流的出口(74)。
反应器部分填充有无规的或结构化的由导电材料构成的填料。填料放置在催化剂基底(72)上，该催化剂基底又通过连接元件(例如裙板)固定到下反应器罩盖上。有利的是，上电极(4)和下电极(5)分别设置在固态填料的上端部和下端部。
术语“高温过程”尤其包括热解反应，脱氢反应，重整反应。
根据本发明，吸热高温过程优选是这样的过程，其中加热区中的体积比能量消耗大于0.5MW/m3，更优选大于1MW/m3，特别是大于2MW/m3。例如，在加热区的能量消耗可以在0.5MW/m3和10MW/m3之间。
优选在本发明的移动床反应器中进行以下高温反应：
·通过用蒸汽和/或二氧化碳重整烃来制备合成气，通过烃的热解来共生产氢气和热解碳。合适的载体材料尤其是含碳颗粒，含碳化硅的颗粒，含镍的金属颗粒。
·由甲烷和氨或由丙烷和氨制备氰化氢。合适的载体材料尤其是含碳颗粒。
·通过烃的蒸汽裂化制备烯烃。合适的载体材料尤其是含碳颗粒，含碳化硅的颗粒。
·甲烷与乙烯，乙炔和苯的偶联。
·通过烷烃的催化脱氢制备烯烃，例如丙烷制丙烯或丁烷制丁烯。合适的载体材料尤其是涂覆有脱氢催化剂的含碳化硅的颗粒或是含铁的成型体。
·乙苯催化脱氢制苯乙烯。合适的载体材料尤其是涂覆有脱氢催化剂的含碳化硅的颗粒或含铁的成型体。
·通过烷烃或烯烃的催化脱氢制备二烯烃，例如由丁烯或由丁烷制备丁二烯。合适的载体材料尤其是涂覆有脱氢催化剂的含碳化硅的颗粒或含铁的成型体。
·通过醇的催化脱氢制备醛，例如由甲醇至无水甲醛。合适的载体材料尤其是含银颗粒、涂覆有脱氢催化剂的含碳化硅的颗粒、或含铁的成型体。
·通过鲍氏(Boudouard)反应由CO2和碳制备CO。合适的载体材料尤其是含碳颗粒。
·在催化剂上通过催化水热解制备氢和氧。合适的载体材料尤其是涂覆有裂解催化剂例如铁氧体的含碳化硅或含铁的颗粒。
对于本发明方法的优选变体，以表格形式总结了最高温度的目标值的范围：
Figure BDA0002602639910000261
有利地，上电极的温度为至少350℃，有利地在350℃至1900℃的范围内。
电极通过反应器壳体的平坦的端部或固定至反应器壳体的连接元件接触连接，此外，可选地，使用难熔金属作为电极材料，以能够将电流低损耗地引入反应区。由于反应器罩盖以及可选的连接元件的大的横截面积和高的比电导率，在其中消耗的电功率可以忽略不计。结果，该区域中的连接部，衬套和连接保持在中等温度水平，而无需复杂的主动冷却。通过电极和连接元件的横截面的相互匹配的尺寸，实现了电流在固态填料的整个横截面上的均匀分布。
电极在罩盖的圆周上的接触连接以及可选地与网格形式的电极的几何形状的结合允许将电流均匀地引入反应区。另外，电极的呈网格形式的几何形状允许将反应器的横截面构造成多个小的均匀的区域。这为合理规模化反应器并使之适应所需的生产能力提供了有益的前提条件。
电极的竖直排列可以使热量均匀释放，并使反应区的整个加热区的转化率分布均匀。具有条形形式的电极条和相关电极板的电极的优选实施例具有高机械稳定性。电极的分段和单侧固定允许电极不受阻碍地进行热膨胀。
高度的细度和电极条以及带有尖端的电极板的轮廓允许固态颗粒在移动床中不受阻碍地流动。这确保了反应区的整个横截面上的均匀操作条件。
电极在填料内的定位产生两个限定的热传递区，在热传递区中可以在填料的电加热区域的上方和下方实现内部的热量循环。结果，反应器具有完全热集成的先决条件。
通过将固态填料的上边缘定位在中间反应器区段内，高温区域被可靠地界定在反应器的机械和热坚固区域内。
将壳体分为三个区段有助于简化反应器的组装和拆卸。这使得可以以简单的方式更换磨损的部件并且可以利用预制的反应器区段来构造反应器。因此，提高了反应器的经济可行性和制造质量。
附图说明
图1：
图1示出了具有直接电加热的本发明的移动床反应器的示意图。
a.贯穿反应器的纵截面。
b.反应器在上电极高度处的横截面。在该视图中，连接元件10的横截面可见。
C.展开的上电极裙部的侧视图。在该视图中，电极4的截面是可见的。
图2：
图2示出了具有直接电加热的本发明的移动床反应器的示意图。
图3：
图3示出了反应器壳体的中间区段的细节图。
图4：
图4以侧视图(上)和顶视图(下)示出了上反应器罩盖的细节图。
图5：
图5以侧视图(下)和从下方的视图(上)示出了下反应器罩盖的细节图。
图6：
图6示出了具有双壳体的上反应器罩盖的本发明的反应器的一种变型。
图7：
图7以侧视图(上)和顶视图(下)示出了上反应器罩盖的细节图。
图8：
图8示出了本发明的上电极中的电极条的有利的纵向轮廓。在任何情况下，下电极均分别使用相同的轮廓。
图9：
图9示出了本发明的上电极中的电极条的有利的侧面轮廓。所述条的底侧是水平的。
图10：
图10示出了本发明的下电极中的条的有利的侧面轮廓。条的顶侧是水平的。
图11：
图11示出了呈网格形式的本发明的电极的电极条和电极板的有利的截面轮廓。
图12：
图12示出了呈网格形式的电极的有利的俯视图。
a.呈蜂窝形式的网格。单元可以是规则或不规则的多边形。边数：3至
20个。
b.矩形网格
图13：
图13示出了呈网格形式的电极的优选俯视图。
a.以辐条形式分割的网格
b.以带有横向条的辐条的形式分割的网格
图14：
图14示出了呈网格形式的电极的特别优选的俯视图。虚线表示段的边界。
a.分成四个段的环形的“分形缩放”的网格
b.分成六个段的环形的“分形缩放”的网格
图15：
图15示出了呈网格形式的电极的根据本发明划分的段，该段由固定至反应器罩盖的裙部的电极条和正交布置在该电极条上的板组成。
a)电极条在底侧突出，而板在顶侧突出。
b)电极条向上和向下突出。
图16：
图16示出了本发明的杆状电极。
a)带有锥形端部的杆状电极：前视图(左)，侧视图(右)，顶视图(底)。
b)带有楔形端部的杆状电极：前视图(左)，侧视图(右)，顶视图(底)。
图17：
图17显示了利用杆状电极直接电加热的本发明的移动床反应器的示意图。
图18：
图18以侧视图(顶)和顶视图(底)示出了带有杆状电极的上反应器罩盖的细节图。
图19：
图19示出了穿过上罩盖的外壳体的本发明的衬套的示意图，用于固体颗粒流的进口。
图20：
图20示出了穿过上罩盖的外壳体的本发明的衬套的图，该衬套用于电流的连接轨道。
图21：
图21示出了利用直接电加热的本发明的固定床反应器的示意图。
图22：
图22示出了本发明的上或下设备区段的手绘草图，用于说明上或下电极的横截面积(AEI)与相应的导电元件的横截面积(AVE)之比的计算。
图23：
图23示出了类似于US 5,903,591的附图的电极连接的原型的手绘草图，用于说明电极的横截面积(AEI)与相应的导电连接元件的横截面积(AVE)之比的计算。
附图标记列表：
1.反应器的中间区段
2.反应器的上端区段/上反应器罩盖/上设备区段
3.反应器的下端区段/下反应器罩盖/下设备区段
4.被分割的上电极的电极条
5.被分割的下电极的电极条
6.固体颗粒流的进口
7.气态产物流的出口
8.上反应器罩盖中的用于电流的连接轨道
9.锥形分配器
10.上反应器罩盖中的用于电极的接触连接的连接元件/裙板
11.上反应器罩盖的法兰
12.用于气态反应物流的板形分配器
13.气态反应物流的环形分配器
14.锥形下反应器罩盖
15.固体产物流的出口
16.下反应器罩盖中的用于电极的接触连接的连接元件/裙部
17.下反应器罩盖中的用于电流的连接轨道
18.下反应器罩盖的法兰
19.用于从反应区侧线提取气态子流/副流的通道
20.用于侧线提取的环形收集器
21.具有耐火的电绝缘和热绝缘的砖衬里的反应器壳体的衬里
22.反应器壳体上端部的法兰
23.上罩盖的法兰与反应器壳体的法兰之间的电绝缘的中间环
24.反应器壳体下端部的法兰
25.上罩盖的法兰和反应器壳体的法兰之间的电绝缘的中间环
26.颗粒床/移动床中的加热区
27.颗粒床/移动床中的下热传递区
28.颗粒床/移动床中的上热传递区
29.中间反应器区段的壳体壁
30.下反应器罩盖的壳体壁
31.上反应器罩盖的壳体壁
41.上反应器罩盖/上设备区段的外壳体
42.上反应器罩盖/下设备区段的法兰
43.上反应器罩盖的外壳体中的电绝缘的气密衬套
44.吹扫流的进入上罩盖的内壳体和外壳体之间的间隙的入口
45.吹扫流的离开上罩盖的内壳体和外壳体之间的空间的出口
46.呈网格形式的电极网格的、连续地刚性安装在反应器罩盖的裙部中
的条
47.在一个端部处固定在被分割的电极的电极条上的板或横向条
51.外壳体上的带有焊接法兰的短管
52.带焊接法兰的连接管道
53.中间环
54.内壳体上的带有补偿器和焊接的螺纹板的短管
55.用于将法兰(51)和(52)连接到中间环(53)的垫圈
56.用于螺纹板(54)和中间环(53)之间连接的垫圈
57.由电绝缘材料构成的套筒
58.固体颗粒流的进口管
61.外壳体上的带补偿器和焊接法兰的短管/管状接头
62.松套法兰
63.用于来自罩盖的内壳体的电流的连接销
64.与(63)对应的用于电流的连接套管
65.由电绝缘材料构成的套筒
66.用于将法兰(61)和(62)连接到套筒(65)的垫圈
67.由电绝缘材料构成的套筒
71.反应器壳体的呈碟形端部形式的上端区段/反应器上罩盖/上设备区
段
72.支承催化固定床的催化剂基底
73.气态反应物流的进口
74.气态产物流的出口
AEI：电极的横截面积
AVE：连接元件的横截面积
VE：连接元素
H：罩盖
D：密封绝缘环
SW：侧壁
WD：绝热层/衬里
F1：罩盖上的法兰
F2：侧壁上的法兰
EI：电极
T：漏斗
ZS：圆柱形轴
具体实施方式
实施例：
比较例(类似于US 5,946,342)：
将在直接电加热的移动床反应器中进行甲烷热解。气态反应物的体积流量为11000Nm3/h(m3(STP)/h)。该流包含65体积％的甲烷，15体积％的氢和约20体积％的氮。从顶部引入反应器的固体反应物流为11.45t/h。颗粒流由碳含量大于99.5％的焦炭组成。反应区的直径为3400mm；电加热区的高度为2000毫米。在加热区的上端部和下端部处设置有呈网格形式的石墨电极，通过该石墨电极将电流引入到移动床的固态填料中。在上电极上方是1000毫米长的热传递区。类似地，在下电极下方存在1000毫米长的热传递区。将向反应器中引入70000A的电流。电流的引入是通过十二个由石墨制成的圆柱形电极进料完成的，这些电极进料以星形形状布置在相应电极的高度处，并均匀地分布在反应器壳体的整个圆周上。电极料的直径为100毫米，长度为1000毫米。在电极进料中，将1000kW转换为热量。该功率相当于所需过程功率的12.5％。由于功率的损失，这会对过程的能量平衡产生不利影响。另外，必须去除耗散于热量的电能。这里有问题的是，电极进料的体积比发展(volumen-spezifische Entwicklung)为6.2MW/m3。相应地，电极进料表面处的热流密度为154kW/m2。这种热流密度，在电极进料的表面上没有受控的强化冷却的情况下，可能会导致超过1000K的过高温度。通过这些设置，甲烷转化率达到94.2％。反应器中的最高温度为1230℃。在反应器下端部处的固体产物料流和气态反应物流之间的温差几乎为零，在反应器上端部处的气态产物流与固体反应物流之间的温差为315K。由于在适中的温度水平下会获得多余的热量，所以只能以低效率将其转化为机械能。
本发明的实施例：
将在直接电加热的移动床反应器中进行甲烷热解。气态反应物的体积流量为11000Nm3/h。该流包含65体积％的甲烷，15体积％的氢和约20体积％的氮。从顶部引入反应器的固体反应物流为13.5t/h。颗粒流由碳含量大于99.5％的焦炭组成。反应区的直径为3400mm。电加热区的高度为2000毫米。在加热区的上端部和下端部设置有呈网格形式的钼电极，通过该电极将电流引入移动床的固态填料中。电极设计为呈具有横向条的辐条形式的被分割的网格。它包括12个电极条(辐条)和每个电极条上的各8个电极板(横向条)。
电极条的侧面轮廓为矩形，长度为1600mm，高度为300mm。电极条的横截面为六边形，如图11所示。电极条设计为空心型材。电极条的壳体由多层网眼编织(HAVER&BOECKERPOROSTAR STANDARD 6层)构成。
沿着电极条，电极板以200mm的相等距离安装。电极板由钼构成。根据图13b，将电极板笔直固定在电极条上，并固定在中间。电极板的长度从内向外增加。具体地，电极板的长度是(175mm，260mm，350mm，440mm，525mm，610mm，700mm，790mm)。电极板的侧面轮廓是矩形的。电极板的高度均为200毫米。电极设计为实体轮廓。电极板的横截面为六边形，如图11所示。电极板的厚度均为20mm。
电流通过反应器罩盖导入。上罩盖具有蝶形端部的形状并且由壁厚为20毫米的1.4541钢构成。长度为1000毫米的由钼制成的圆筒形裙部旋拧在罩盖上。下罩盖为圆锥形并且由壁厚为20毫米的1.4541钢构成。长度为1000毫米的由钼制成的圆柱形裙部旋拧在罩盖上。将67500A的电流引入反应器。通过罩盖和十二个电极条进行接触连接：热损失为19.5kW，相当于所传输功率的0.2％。该功率导致罩盖被加热到比环境温度高约100K的温度，并且可以在不采取任何特殊措施的情况下将其去除到环境中。
电极条同时用作从反应区侧线提取副流/子流的通道。为此，将电极条推动穿过裙部并在外端部敞开。所有电极条均以环形通道结束，该环形通道用作侧线提取移除的收集通道。结果，在反应区的加热区的上端部抽出15％的气体流。通过这些设置，甲烷转化率为96.5％。反应器中的最高温度为1320℃。在反应器下端部处的固体产物流和气态反应物流之间的温差为26K，在反应器上端部处的气态产物流和固态反应物流之间的温差为75K。结果，在反应器中实现了优异的热集成。多余的热量主要在1270℃的温度下随侧线流排出。
总结：
比较例 本发明的实施例
电极中的功率损失 1MW 0.02MW
在电极中耗散的功率占有效过程功率的比例 12.5％ 0.2％
甲烷转化率 94.2％ 96.5％
反应器中的最高温度 1230℃ 1320℃
主流中的热集成效率 60％ 72％
主流和侧流中的热集成效率 60％ 83％

Claims (15)

1.一种用于进行吸热反应的可电加热的填料式承压设备，其具有上设备区段、中间设备区段(1)和下设备区段，其中竖直布置的至少一个电极对(4,5)被安装在所述中间设备区段中并且所有的电极均布置在导电的固态填料(26)中，所述上设备区段和所述下设备区段具有105 S/m至108 S/m的比电导率，所述中间设备区段与所述固态填料电绝缘，其特征在于，所述上设备区段和所述下设备区段与所述中间设备区段电绝缘，上电极通过所述上设备区段来连接并且下电极通过所述下设备区段来连接或者这些电极分别通过与这些区段电接触的一个或多个连接元件(10, 16)来连接，所述上电极和所述下电极的横截面积与各自的导电的连接元件的横截面积之比为0.1至10，或者，在不使用连接元件的情况下，所述上电极和所述下电极的横截面积与各自的导电的设备区段的横截面积之比为0.1至10。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述上电极和所述下电极的横截面积与各自的导电的连接元件的横截面积之比为0.3至3，或者，在不使用连接元件的情况下，所述上电极和所述下电极的横截面积与各自的导电的设备区段的横截面积之比为0.3至3。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述连接元件的横截面积与所述固态填料的横截面积之比为0.001至0.2，和/或导电的所述上设备区段或所述下设备区段的横截面积与所述固态填料的横截面积之比为0.001至0.2。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述上电极和所述下电极被构造为呈辐条形式的电极网格，所述电极网格具有以星形布置的2至30个电极条。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，电极条在其外端部与至少一个连接元件连接，或者所述电极条通过所述上设备区段或所述下设备区段连接，并且这种连接是用于定位各个电极条的唯一的固定支承部。
6.根据权利要求1或2或5所述的设备，其特征在于，所述上电极的温度为至少350℃。
7.根据权利要求1或2或5所述的设备，其特征在于，所述上设备区段和所述下设备区段被构造为罩盖并且能从所述中间设备区段移除。
8.根据权利要求1或2或5所述的设备，其特征在于，电极与所述连接元件之间的导电接触面积在0.1cm2与10000cm2之间。
9.根据权利要求1或2或5所述的设备，其特征在于，所述固态填料的上边缘与所述上电极处的电极下边缘之间的竖直距离为10mm至5000mm，所述下电极处的电极上边缘与气态反应物的进口之间的竖直距离为10mm至5000mm。
10.根据权利要求1或2或5所述的设备，其特征在于，所述上电极的和所述下电极的横截面阻塞在1％至20％之间。
11.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，电极条分别具有固定至其上的1至100个电极板，这些电极条将所述设备的横截面分成多个网格单元，其中，所述网格单元的等效直径在10mm与2000mm之间。
12.根据权利要求1-2、5和11中任一项所述的设备，其特征在于，所述上设备区段和/或所述下设备区段为双壳体设计，内壳体是导电的所述连接元件，外壳体与所述内壳体电绝缘。
13.一种用于在根据权利要求1至12中任一项所述的设备中进行吸热的气相过程或气-固过程的方法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，能导电的所述固态填料被实施为逆流移动床。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在所述固态填料的上边缘处，固体颗粒的进料流与气态产物流的出口温度之差为0K至500K，在所述固态填料的下边缘处，气态进料流与固态产物流的出口温度之差为0K至500K。
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