CN116507407A - 感应加热微通道和中通道处理系统的方法和装置 - Google Patents

Abstract

感应加热被应用于由热交换通道组成的专门的化学处理单元中的热化学过程。组件的集成体被安置在便携式装置中，以方便设置和维护。

Description

感应加热微通道和中通道处理系统的方法和装置

相关申请：本申请要求获得2020年9月16日提交的美国临时专利申请63/107,420和2021年1月22日提交的美国临时专利申请63/140,745的优先权。

背景技术

过去，需要热量的微通道和中通道单元要么包含输送预热流体的流体通道，要么在通道内产生热量-例如通过放热化学反应-或者它们通过单元的外壁接收热量。感应在需要加热的通道内和/或紧邻需要加热的通道产生的热量是有利的，因为它减少了交替通道所需的体积，并且还降低了通过单元结构传导热量的传热效率低下/不可逆性，从而导致一种过程密集且热力学效率高于替代方案的系统。

下面讨论的三个专利文件通过引用全文并入，包括本文所用术语的定义。

题为“Solar thermochemical processing system and method”的美国专利9,950,305介绍了一种微/中通道反应器的设计，该反应器使用集中的太阳能来驱动高温化学反应，例如甲烷蒸汽重整或逆水煤气变换反应。反应器本身是一个饼状单元，其中反应物通过径向通道从反应器盘的中心输送到边缘，然后通过另外的热交换通道再次返回，另外的热交换通道以逆流方向流向反应通道。通过引导来自抛物面碟式集中器的辐射能，热量被添加到用于吸热反应的系统中。

公布的美国专利申请US20200298197题为“Reactor Assemblies and Methods ofPerforming Reaction”，介绍了一种改进的微/中通道反应器的设计，其中向外流动的反应通道配置为弯曲或螺旋排列和/或向内流动的热交换通道以类似的布置配置，实现逆向流动操作。该系统的主要改进在于，通道以比第一份专利文件中的反应器更有效的方式传热，从而减轻了碟式集中器的不均匀热量，减少了反应器表面热点的大小及其对反应器内流体流动分布的潜在负面影响。

公布的美国专利申请US20200001265题为“Enhanced Microchannel orMesochannel Devices and Methods of Additively Manufacturing the Same”，介绍了打印微通道和中通道反应器的3D方法，包括通过3D打印(也称为增材制造)实现的设计改进。3D打印为微通道和中通道单元提供了优势，包括有机会通过改变金属粉末的成分或在单元打印时插入结构(例如通量集中器)来改变结构的磁性。这是特别有趣的，因为它允许人们设计将交变电磁场(EMF)引导和/或集中到目标点的结构-包括使用建设性或破坏性干扰-以便热量优先提供给结构的某些部分。该专利申请描述了第二份专利文件的逆向横流设计与第三份专利文件的方法的组合，进一步组合并适用于有效地结合感应加热，如本临时专利申请中所示。

发明内容

本发明提供了用于感应加热微通道和中通道反应器、热交换器、汽化器和分离单元的方法、系统和装置。

该方法包括在微通道或中通道装置内感应交变电磁场，产生涡流，通过焦耳加热产生热量。如果被加热的材料是铁磁性的，也会通过磁滞损失产生热量。在一个简单的版本中，它类似于灶台炉子的感应加热器，但在更有效的装置中，它优先将热量引导到需要热量的流体通道。

本发明还提供了一种化学转化器。化学转化器类似于电力转化器，因为它连接到气体电网(如天然气电网)，也许还连有电网，并进行转化，使作为气体电网主体的分子能够更好地传输和分配、储存或使用。当连接到电网时，它也将电能(千瓦时)转换为化学能(千瓦时)，随后可在燃料电池或其他发电装置中恢复为电能，从而提供了一种方便的能源储存手段。化学转化器是一个处理密集型的化学加工厂，通过加入微通道和中通道反应器、热交换器和分离器，获得了效率和生产力的优势，因此与传统的能源转换和化学加工技术相比，获得了体积和占地面积的减少。它的优势还在于可以大规模生产，并且可以放在需要化学产品的地方附近。

本发明包括上述的任何部件、制作或组装装置的方法、可组装成装置的套件、或方法或系统。系统既可以包括固体元件，也可以包括液体和固体元件内部或周围的任何选定条件(温度、压力、电场或磁场，等等)。本发明可包括转换或以其他方式改变化学品或化学化合物的物理特性的系统或方法。这些组件或装置可以是这里描述的组件的任何组合。本发明可以选择或另外以特性来描述，例如至少拥有这里描述的数值，或在±10％，或±20％，或±30％范围内。

在一个方面，本发明提供了一种化学处理器，包括：一个加工层，它有一个顶壁，适合在交变磁场的作用下加热，一个与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；处理层包括适合流体流动的通道以及适合流体流入和流出处理层的入口和出口；邻近处理层底壁的传热层；该传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括一个适合流体流动的通道以及一个入口和一个出口，以便流体可以流入和流出传热层；其中，处理层的出口与传热层的入口相连，以便流体可以流出处理层并进入传热层；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁，或者是壁面有热接触的地方；以及一个感应器，其被配置为在处理层的顶壁产生交变磁场。

本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层包括多个微通道或中通道；其中，传热层包括多个微通道或中通道；其中，在操作期间，传热层中的流动与处理层中的流动方向相反；其中，流动是横流动，即传热层中的多个微通道或中通道与处理层中的多个微通道或中通道重叠，使通道交叉，因此流动既是逆向流动，也是横流动；其中，感应器是饼状感应线圈，或环状感应线圈；进一步包括感应增强器；其中，顶壁在室温下是铁磁性的；顶壁在室温下是顺磁性的；进一步包括换热器，其中流向处理层的处理流被流离传热层的产品流加热；其中，顶壁包括多个通过金属钎焊连接到顶壁表面的感应增强器；其中，多个感应增强器包括至少20块感应增强器；其中，使用多个增强器可以防止或减少由于增强器和处理器壁之间的膨胀不匹配造成的损坏。本发明还包括一种包括本文所述装置的化学转化器。

在另一个方面，本发明提供了一种进行吸热化学过程的方法，包括：将处理流传入一个装置，该装置包括：一个处理层，该处理层具有一个顶壁，该顶壁适于响应交变磁场而加热，一个与该顶壁相对的底壁，以及设置在该顶壁和底壁之间的侧壁；该处理层包括一个适于流体流动的通道，以及一个适于流体流入和流出该处理层的入口和出口；处理流通过该处理层的通道；一个邻近该处理层底壁的传热层；该传热层具有一个顶壁，一个与该顶壁相对的底壁，以及配置在该顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括一个适合流体流动的通道以及一个入口和一个出口，以便流体可以流入和流出传热层；通过传热层的通道流动的传热流体；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁或壁面有热接触的地方；其中，热量在传热通道中的传热流体和处理通道中的处理流之间传递；以及通过感应器在处理层的顶壁产生交变磁场；其中，顶壁被交变磁场加热，热量从顶壁传递到处理流。

本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层的出口与换热层的进口相连；其中，换热层包括多个微通道或多个中通道，其中，处理流从处理层流出并进入换热层的多个微通道或多个中通道；其中，内热化学过程为化学反应；其中，化学过程为化学反应；其中，化学过程为催化化学反应；其中，化学反应包括重整反应或反水气移反应；其中，吸热化学过程包括汽化产品流；进一步包括在进入处理层之前的处理流与离开热交换层的产品流之间进行热交换的步骤；其中，吸热化学过程包括化学分离；其中，化学分离包括蒸馏或吸附；其中，传热流体包括处理层中化学反应的反应产物；其中，交变磁场的频率在1至100kHz之间交替；和/或其中，交变磁场的频率在1至50kHz之间。

在另一个方面，本发明提供了一种化学处理系统，包括：一个处理层，它有顶壁，该顶壁适于响应交变磁场而加热，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；该处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出该处理层的入口和出口；处理流流经该处理层的通道；邻近该处理层底壁的传热层；该传热层有顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在该顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括适合流体流动的通道以及入口和出口，以便流体可以流入和流出传热层；传热流体流经传热层的通道；其中，处理层的底壁是传热层的顶壁或壁面有热接触的地方；其中，热量在传热通道中的传热流体和处理通道中的处理流之间传递；以及感应器，用于在处理层的顶壁上产生交变磁场；其中，顶壁被交变磁场加热，热量从顶壁传递到处理流中。

本发明的进一步特点是具有以下一个或任何组合：其中，处理层的出口与传热层的入口相连；其中，传热层包括多个微通道或多个中通道，其中，处理流从处理层流出并进入传热层的多个微通道或多个中通道；其中，根据流体的能量含量的净增加与所消耗的电能的比率，系统能量效率大于50％(在一些实施方案中为50至约90％或50至约70％)，乘以100％；其中，根据流体的高热值的净增加与所消耗的电能的比率，系统化学效率大于70％(在一些实施方案中为70至约90％或70至约80％)，乘以100％。

在另一个方面，本发明提供了一种环形化学处理器，包括：由环形反应器壁界定的环形处理器，该处理器适于响应交变磁场而加热，并包括围绕环形反应器壁设置的感应器线圈；设置在环形反应器壁内的化学处理通道；以及化学处理通道包括一个入口和一个出口。环形反应器可包括本文所述的电感加热处理器的任何特征。例如，环形反应器可以进一步包括一个与化学处理通道相邻的传热通道。在一些实施方案中，化学处理通道包括多个通道，这些通道在径向上从中心轴附近延伸到环状体的外围附近。本发明还包括在环形反应器中进行吸热单元操作的方法。本发明还包括由环形反应器中的成分和条件组成的系统。

在另一个方面，本发明提供了一种饼状化学处理器，依次包括：第一饼状感应器，被配置为在第一加工层的顶壁上产生交变磁场；第一加工层，具有适于响应交变磁场而加热的顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；该加工层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出加工层的入口和出口；邻近第一加工层底壁的传热层；传热层有顶壁，与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；传热层包括适合流体流动的通道以及入口和出口，以便流体可以流入和流出传热层；其中，第一加工层的底壁是传热层的顶壁，或者壁的热接触处；第二处理层，其底壁适于响应交变磁场而加热，顶壁与底壁相对，侧壁设置在顶壁和底壁之间；第二处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；其中，第二处理层的顶壁是传热层的底壁或壁的热接触处；以及第二饼状感应器，其配置为在第二处理层的底壁产生交变磁场。

饼状反应器可包括本文所述的感应加热处理器的任何特征。例如，饼状反应器可进一步包括，在处理层和传热层包括从中心轴线辐射的通道，和/或处理层和传热层包括的通道被配置用于逆向横流热交换。本发明还包括在饼状反应器中进行吸热单元操作的方法。本发明还包括由饼状反应器中的成分和条件组成的系统。

在另一个方面，本发明提供了一种被动控制感应式加热内热机组运行温度的方法，包括：通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学处理器的接收体；其中，接收体在室温下是亚铁磁性或铁磁性的；其中，处理流被接收体加热；其中，接收体包括居里温度；其中，处理流的温度接近居里温度的至少50℃以内，并且由于接近居里温度的至少50℃以内，接收体对化学反应物的磁感应强度降低至少10％或至少20％。在本说明中，磁感应强度是指体积磁感应强度。吸热单元操作可包括吸热反应、分离和/或汽化。在一些优选的实施方案中，化学反应物达到居里温度，其中，作为达到居里温度的结果，从接收体到化学反应物的热传递减少。“接收体”是指铁磁性和铁磁材料，包括易受体和感应增强器，在一些优选的实施方案中，接收体是设置在处理通道中的包层或插入物。

在另一个方面，本发明提供了一种被动控制感应加热化学反应温度的方法，包括：通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学反应器的接收体；其中，接收体在室温下是亚铁磁性或铁磁性的；其中，化学反应物被接收体加热；其中，接收体包括居里温度；其中，化学反应物达到居里温度，并且由于达到居里温度，从接收体到化学反应物的热传递减少。

在另一个方面，本发明提供了一种化学转化器，包括：多个蒸汽转化器；多个换热器；其中，多个蒸汽转化器和多个换热器被安置在一个半六边形或半圆柱形的壳体中，或可打开形成半六边形的六边形壳体或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。在一个优选的实施方案中，该化学转化器包括以下部件：多个蒸汽甲烷转化器；多个换热式热交换器；水气转换反应器；蒸汽发生器；和水冷凝器热交换器；其中，所有的组件都配置在半六边形或半圆柱形的壳体中，或可打开形成半六边形的六边形壳体，或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体。本发明包括生产氢气的方法，包括将碳氢化合物进入转化器。

在另一个方面，本发明提供了一种化学转化器系统，包括：多个蒸汽转化器，包括催化剂和含有蒸汽和碳氢化合物的气流；多个换热器，包括氢气；其中，多个蒸汽转化器和多个换热器被安置在一个半六边形或半圆柱形的壳体内，或可打开形成半六边形的六边形壳体内，或可打开形成半圆柱形的圆柱形壳体内。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。

在不同的实施方案中，包括化学转化器的设备、方法和系统可以包括本文所述的组合、结构特征和/或条件的一种或任何组合。

在另一个方面，本发明提供了一种维修化学转化器的方法，其中化学转化器被安置在六角形外壳或圆柱形外壳中，包括打开六角形外壳或圆柱形外壳，形成两个半六角形外壳或两个半圆柱形外壳，每个外壳都有一个开放面，并伸入外壳的开放面，以接触化学转化器的部件。

在另一个方面，本发明包括循环过程，如热摇摆吸附和热增强，或压力摇摆吸附。例如，在感应热被用来驱动处理层的解吸步骤，而在循环的另一个步骤中，热量被传热层中的较冷流体从处理层中移除。然而，另一种情况是热化学分水，将高温蒸汽引入处理通道中的金属材料，形成金属氧化物并产生氢气，这一放热过程的热量被较冷的流体或热交换层中的内热反应带走，然后在循环的另一个步骤中，感应加热使金属氧化物的温度充分提高，以驱除氧气。像这样包含多个电池，以不相位但协调的方式行动，可以实现更有效的热力运行。

术语汇编

作为标准的专利术语，"包括"意味着"包含"，这些术语都不排除存在额外的或复数的成分。在其他实施方案中，术语"包括"可以由限制性更强的短语"基本上由"或"由"取代。

"微通道"是具有至少一个内部尺寸(壁与壁之间，不包括催化剂)为1毫米或更小，且大于1微米(优选大于10微米)，在一些实施方案中为50至500微米的通道；优选一个微通道在至少1厘米，优选至少10厘米的长度范围内保持在这些尺寸。在一些实施方案中，长度在5至100厘米的范围内，在一些实施方案中在10至60厘米的范围内。微通道还通过存在至少一个与至少一个出口不同的进口来定义。微通道不仅仅是穿过沸石或多孔材料的通道。微通道的长度与通过微通道的流动方向相对应。微通道的高度和宽度基本上与通过通道的流动方向垂直。中通道的定义与此类似，只是其内部尺寸为1毫米至1厘米。通常情况下，设备包括多个微通道或中通道，它们共享共同的头部和共同的脚部。虽然有些设备只有一个头部和一个脚部；但一个微通道设备可以有多个头部和多个脚部。通道或歧管的体积是以内部空间为基础的。渠道壁不包括在体积计算中。催化剂可以是颗粒的形式，也可以是多孔固体的形式，如墙面涂层或插入反应通道的多孔体("催化剂插件")。在本发明中，催化剂插入物的支撑物可以是一种在交变磁场存在下加热的材料。颗粒指的是适合在微通道或中通道内的颗粒，如催化剂颗粒。优选的是，这些颗粒(如果存在的话)的尺寸(最大尺寸)为2毫米或更小，在一些实施方案中为1毫米或更小。颗粒大小可以通过筛子或显微镜或其他适当的技术来测量。对于相对较大的颗粒，则采用筛分法。颗粒物可以是催化剂、吸附剂或惰性材料。

在一些优选配置中，催化剂(用于蒸汽重整或其他化学反应)包括一个底层的大孔隙基质。优选的大孔隙基质的例子包括市面上的金属泡沫，更优选的是金属毛毡。在沉积任何涂层之前，大孔隙基材的孔隙率至少为5％，更优选30-99％，更优选70-98％。在一些优选的实施方案中，大孔隙基质的体积平均孔隙大小，如BET测量，为0.1微米或更大，更优选在1至500微米。多孔基质的优选形式是泡沫和毛毡，这些基质最好由热稳定的导电材料制成，最好是金属，如不锈钢或FeCrAlY合金。这些多孔基质可以很薄，如0.1至1厘米之间。泡沫是连续的结构，在整个结构中具有界定孔隙的连续壁。另外，催化剂可以采取任何常规形式，如粉末或颗粒。

具有大孔隙的催化剂最好有5-98％的孔隙体积，更优选30-95％的多孔材料总体积。优选的是，至少20％(更优选至少50％)的材料孔隙体积由尺寸(直径)在0.1至300微米之间的孔隙组成，更优选0.3至200微米，更优选1至100微米。孔隙体积和孔径分布是通过水银孔径测量法(假设孔隙为圆柱形几何结构)和氮气吸附法测量的。众所周知，汞孔径测量法和氮气吸附法是相互补充的技术，汞孔径测量法对于测量大孔径(大于30纳米)更加准确，而氮气吸附法对于小孔径(小于50纳米)更加准确。孔径在大约0.1至300微米的范围内，使分子能够在大多数气相催化条件下通过这些材料进行分子扩散。催化剂插入物最好具有1厘米或以下的高度，在一些实施方案中，高度和宽度为0.1至1.0厘米。在一些实施方案中，多孔插入物至少占微通道横截面积的60％，在一些实施方案中至少占90％。在另一个优选的实施方案中，催化剂是反应通道内的材料涂层(如洗涤涂层)。

在许多实施方案中，感应器为内热蒸汽甲烷重整反应的异质催化剂提供热量。预计其他吸热过程也包括其他吸热化学反应，如甲烷与二氧化碳的干重整或反向水气转移反应。优选的是，热交换功能实现了反应通道长度上的温度轨迹，以促进更大的化学转化。其他例子是热泵或化学分离的吸附过程。例如，太阳能热泵利用吸收(液体溶剂)或吸附(固体吸附剂)热泵循环将热量从较低温度转移到较高温度。一个例子是用固体吸附剂代替上述发明中的催化剂，该吸附剂在低温和高压下吸附制冷剂，在高温和高压下利用太阳能进行解吸。应用包括建筑采暖通风和空调(HVAC)以及制冷。同样，该吸附剂可用于热摇摆吸附(TSA)过程中的化学分离，或热增强的变压吸附(PSA)过程。一种应用是从大气中、从合成气生产系统(如本文所述的H₂生产/蒸汽重整应用)、发电厂废水或其他潜在来源中捕获二氧化碳。

催化化学反应是非常有名的，适当的条件和催化剂也是非常有名的，不需要在这里描述；只要确定催化剂是重整催化剂，或萨巴蒂尔催化剂(通常是Ni或Ru/Al2O3)，合成氨(通常是Ru，或氧化铁，或Co-Mo-N)，或逆水移气反应(常见的催化剂包括铁、铬的氧化物，也可选择镁)就足够了。

在一些优选的实施方案中，本发明通过蒸汽或干重整将甲烷或其他烷烃或混合碳氢化合物转换为氢气。蒸汽转化过程需要碳氢化合物(或碳氢化合物)和蒸汽(H₂O)。反应物混合物可以包括其他成分，如CO或非反应性稀释剂，如氮气或其他惰性气体。在一些优选处理中，反应流基本上由碳氢化合物和蒸汽组成。在一些优选的实施方案中，反应物流中的蒸汽与碳的比例为3比1至1比1，在一些实施方案中为1.5比1或更少。碳氢化合物包括：烷烃、烯烃、醇类、芳烃以及它们的组合。碳氢化合物可以是天然气。优选的烷烃是C1-C10烷烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和异辛烷。蒸汽转化催化剂最好包括以下一种或多种催化活性材料：钌、铑、铱、镍、钯、铂，以及它们的组合。铑是特别优选的。在一些优选的实施方案中，催化剂(包括所有支撑材料)含有0.5至10重量％的Rh，更优选1至3重量％的Rh。催化剂还可以包含一个用于催化活性材料的氧化铝载体。一个"氧化铝支架"包含与氧原子结合的铝原子，还可以有其他元素。优选的是，氧化铝载体包括稳定元素，以提高催化剂在水热条件下的稳定性。稳定元素的例子有Mg、Ba、La和Y，以及这些元素的组合。更好的是，催化活性材料(如Rh)以小颗粒的形式存在于氧化铝载体的表面。蒸汽重整反应最好在400℃以上进行，更优选500-1000℃，更优选650-900℃。该反应可以在从亚环境到非常高的广泛压力范围内运行，在一些实施方案中，该过程在10大气压到30大气压的压力下进行，更优选12大气压到25大气压。H₂O分压优选为至少0.2个大气压，在一些实施例中为至少2个大气压，在一些实施例中为5个大气压至20个大气压。

含有催化剂的通道是一个反应通道。更一般地说，反应通道是一个发生反应的通道。反应通道壁最好由铁基合金制成，如钢，或镍基、钴基或铁基超级合金，如Haynes。反应通道壁的材料选择可能取决于反应器所要进行的反应。在一些实施方案中，反应室壁由不锈钢或组成，它经久耐用，具有良好的导热性。通常情况下，反应通道(通常是管)壁是由为微通道装置提供主要结构支持的材料形成的。

本发明还包括在本文所述的设备中实施单元操作的方法。

"单元操作"指化学反应、汽化、压缩、化学分离、蒸馏、冷凝、混合、加热或冷却。一个"单元操作"并不意味着仅仅是流体运输，尽管运输经常与单元操作一起发生。在一些优选的实施方案中，一个单元操作不仅仅是混合。

热交换流体可以流经与处理通道(最好是反应微通道或中通道)相邻的传热通道(最好是反应微通道或中通道)，可以是气体或液体或双相材料，在优选的实施方案中，热交换流体是用于回收反应通道中产生的热量的产物流。

磁通量集中器改善了壁面和电感器载流区之间的电磁耦合。通常情况下，磁通量集中器是铁磁材料。

感应增强器是一种材料或材料的组合，它被贴在化学处理机的一个区域(最好是微或中处理通道)上或放在其附近，以通过感应加热。该增强器包括至少一种铁磁性材料，在所需的处理温度下。

“热化学处理器”是一个系统的设备或部件，在该系统中，处理流受到热化学过程的影响，如反应(如蒸汽重整)、分离或汽化。至少有一部分处理流经历了化学反应、状态变化、或纯度或浓度的变化。在本发明使用感应加热的实施方案中，该过程是吸热的，或包括一个吸热阶段。

附图说明

图1显示了一个螺旋反应器处理层的俯视图，该处理层包括多个由催化剂组成的螺旋处理通道。

图2A和2B显示了饼式电感器的顶视图和底视图。

图3A是带有补充感应加热的太阳能热化学反应器的示意性侧面剖面图。

图3B是带有感应加热的热化学处理器的示意性、侧面、截面图，并显示了磁场。

图4是热化学处理器的示意性、侧面、横截面图，其两个主要侧面都有饼状电感器，并显示了磁场。

图5是热化学处理器的示意性、侧面、横截面图，其两个主要侧面都有饼状电感器，并显示了磁场。该处理通道包括插入物，这些插入物可以是催化剂插入物、助焊剂集中器，或插入物和助焊剂集中器。

图5A是热化学处理器的示意性、侧面、横截面图，其两个主要侧面都有饼状电感器，并显示了磁场。该处理通道包括催化剂插件，感应增强器被放置在处理通道的壁上。

图6A是环形热化学处理器的示意性侧面剖面图，环形壁上包裹着导电线圈。

图6B是环形热化学处理器的示意性、顶部或底部视图，该处理器的导电线圈包裹在环形壁上。

图7是一个化学转化器的示意图，它包括一个六角形外壳中的多个部件，该外壳被显示为打开为半六边形(半六)。

图8是一个示意图，显示了化学转化器的用途。

图9是化学转化器的示意图，包括一个半六边形外壳中的多个组件。

图10显示了进入两个太阳能加热的甲烷蒸汽转化炉的计算热剖面。从左到右，外表面的热量，处理(反应)通道，以及热量回收通道。

图11是热化学处理器的示意性、侧面、截面图，其两个主要侧面都有饼状感应器。

图12A显示了进入感应加热的甲烷蒸汽转化器主体的近似热剖面。从左到右，外表面的热量，重整通道，以及热量回收通道。

图12B显示了进入感应加热的甲烷蒸汽转化炉炉体的计算热力曲线，其两个主要表面上都有饼状的线圈感应器(见图11)。从左到右，外表面的热量，进入重整通道，以及热量回收通道。

图13，H2生产模块的CAD图，包括SMR反应器(底部)，HTR热交换器(顶部)，以及热电偶和压力传送器。感应线圈(未显示)，被放置在反应器下方，感应线圈和反应器壁之间有一层隔热层。

图14，第一次活动中反应器的平均温度(℃)和电流的50倍(安培)。

图15，SMR反应器的热能效率(●)和使用新的铜银钎焊材料将功率转换为更高热值产品气体的化学效率(●)。

图16，双层SMR反应器，用98％的铜、2％的银钎焊在钴铁圆形段上。这代表了使用多块感应增强器通过金属钎焊与处理器壁结合的一般概念。

图17，SMR反应器的热能效率(●)和将功率转换为更高热值的产品气体的化学效率(●)，用铜银钎焊材料连接钴铁板的圆形段。

图18显示了一个三层加工单元的感应子系统的爆炸图。

具体实施方式

用于在高温下进行的反应(例如甲烷蒸汽重整)的化学反应器需要由能够承受高温和在不同温度下热膨胀的材料建造。通常，这些反应器由高温超级合金制成，例如Haynes282。Haynes 282被认为充其量是弱顺磁性的，其相对磁导率接近1，这是真空的相对磁导率。这意味着Haynes自身不会提供太多的磁场强化。我们发现一些商用电磁炉加热器拒绝使用Haynes 282或Inconel 625打开，因为它们的内部传感器没有取得可接受的接收器材料。然而，其他一些具有不同电子设备并且可能具有不同检测算法的设备不会拒绝开启，并且经过一些努力，我们已经成功地使用Haynes 282获得了高加热率。一些专家认为，Haynes282比铝更难感应加热，其电阻率非常低，因此无法提供足够的焦耳热。然而，令人惊讶的是，我们发现Haynes 282在合适的交变磁场中会发热。此外，我们发现感应增强器的使用提供了额外的耦合优势，使得所有经过测试的感应加热器都能有效运行，并允许我们将处理单元从饼状感应器移到更远的地方；从而在不损坏饼状感应器的情况下实现高温反应。

将感应加热添加到太阳能加热的化学处理单元，从而产生太阳能-电混合，可以为太阳能热或热化学处理创造巨大的生产率优势，否则可能会受到间歇性阳光可用性的限制。此外，它允许在没有太阳能集中器或其他热源的情况下独立运行。

图1显示了逆横流反应器(100)的催化剂水平。含有用于蒸汽-甲烷重整的催化剂(102)的反应通道含有铁合金泡沫，其中浸渍并煅烧了铑，如专利号9,950,305中所讨论的。如第二份专利文件中所讨论的，反应物在板的中心(101)进入该层，沿大致径向方向通过周边中的槽(反应通道出口103)，然后在另一组弯曲的螺旋通道中返回中心。这允许反应产物气体将热量释放给催化剂通道。

图2提供了用作感应加热单元的初级核心的传统饼状线圈的两侧(200和210)的图片。感应加热可以被认为类似于电力转化器，初级线圈为初级，接收单元为次级——其在这里是吸热反应器、热交换器或分离单元，例如吸附介质，或放置在通道中的铁磁材料，例如镍钴、AlNiCo或钴铁，或其他具有适合目标单元化学操作的居里温度特性的通量集中材料。图中的单元有20圈使用利兹线(201)的线圈，其中许多隔热铜线编织在一起。使用利兹线的主要好处是它允许比水冷铜管更高的电流密度。这能够实现更大的加热功率密度，这在发生吸热反应的微通道和中通道反应器中是理想的。通量集中器显示为211。

在感应能量传输中，接收单元内产生的电流(接收单元例如电力转化器的次级线圈或要加热的反应器)等于初级匝数与次级匝数之比。在大多数情况下，微通道或中通道单元中的有效匝数可以取为1——结构就像电线短路的次级线圈——该比率(n比率)等于初级匝数。选择或改变初级线圈中的电压、频率和匝数以实现反应装置中所需的期望能量传递和穿透深度。

反应器组件所用材料的相对磁导率决定了系统的感抗。具有高相对磁导率的材料(例如，铁磁材料)将比具有低相对磁导率的材料(例如，顺磁材料)吸引并表现出更大的磁通量和磁能聚集。用铁磁或顺磁材料放置、电镀、包覆或掺杂接收器的基体金属，或者简单地将铁磁或顺磁材料放置在接收器内，可用于在接收器材料与感应线圈耦合不佳的情况下产生所需的加热效果。改变放置、包层、电镀或掺杂的深度，或插入物的位置，可用于进一步将热效应集中到接收器的特定区域或部件。

可以同时使用具有不同导线尺寸和线圈几何形状的多个感应线圈(并联或串联)以在反应器中产生所需的热通量特性。通过堆叠线圈以增加初级感应线圈与次级反应器的匝数比，可以获得更高的通量。相反，可以通过改变导线的间距来实现较低的通量聚集。近似同心环，其是扁平感应线圈(初级绕组)的特征，可以修改成不同的几何形状，例如正方形、六边形、八边形或不规则形状，只要同心环有一个开放的中心来最小化由电流方向相反的相邻导线引起的电磁场的干扰和抵消。可以改变导线的尺寸以增加匝数、增加功率密度和适应感应频率。

当交流电通过线圈(320)时，接收器中会产生热量。交流电的频率加上接收器的特性决定了穿透到反应器金属结构中的深度；较低的频率产生更深的加热。因此感应线圈的频率可以是从几赫兹到几千赫兹甚至兆赫兹的任何地方。然而，加热功率与频率和n比率成正比。更高的感应频率需要更少的匝数。然而，如下文所述，较低的频率允许电动势(EMF)能量更多地穿透到接收器(次级线圈)中，因此将提供更深的加热和更低的表面温度。因此，优化并不总是偏袒于更高的频率。

图2中左侧的图是初级线圈面向待加热单元的一侧。在右侧，显示了线圈(210)的背面，包括七个“通量集中器”(211)，它们引导磁场，以便来自线圈背面的主要部分(或大部分)场能被引导到线圈周围，朝向(或进入)要加热的单元。

图3A图示了已将感应加热器添加到一侧的太阳能热化学反应器(300)。在一些优选的实施例中，反应器是用第二个专利文件的方法3D制造的，催化剂结构(图3A中未显示)在“建造”期间或之后被插入。可以将顺磁，或更优选地，将铁磁或垫片或其他结构(感受器)添加到催化剂通道以促进电磁场的集中，或单独放置在化学反应通道附近的反应器中。反应器材料中产生的磁滞和涡流将提供局部加热。在图3A中，来自太阳能集中器的辐射能(312)，例如专利号9,950,305中所讨论的，通过孔(310)进入接收器单元，进入与反应器(300)相遇的空腔，其至少吸收辐射能的一部分。此处描述的感应加热器是带有通量集中器(211)的扁平线圈式加热器(320)。

图3B提供了来自饼状线圈(320)的磁场的示意图，它截断并穿过反应器(300)，因此产生上述涡流电流，其通过焦耳加热产生热量。如图3A中所示，图3B中的通量集中器(211)仅与饼状线圈(320)的底部相关联。然而，在另一个实施例(未示出)中，通量集中器从它们的最径向位置(平行于反应器的表面)延伸到反应器的侧面(或与侧面相邻)。这样，通量集中器可以设计为将EMF引导到反应器的特定区域。

反应器(300)内的热渗透程度是电力频率、反应器结构的相对磁导率和电阻率的函数。一般而言，低频会产生较大的热穿透，而高频会产生较浅的热穿透。对于像Haynes230和282这样充其量是弱顺磁性材料而不是铁磁性的材料，大约50-60Hz(商业电网的频率)的频率将支持几厘米(cm)的热穿透；在400Hz(普通商用飞机中电力电子设备的频率)下，热渗透会降低。在几十千赫兹的频率下，热穿透深度将以毫米为单位进行度量。

电阻率低的材料(如铜或铝)不易通过感应加热。像Haynes 230或282这样的材料中的高频率可能仅会在表面几毫米(或一些毫米)的深度处引起热量，通过传导或对流支持设备内的高效传热，以加热工作流体、化学反应或分离操作(例如从固体吸附剂中去吸附)。这些限制可以通过有选择地改变感应线圈的频率和几何形状，使用磁通集中器，以及给反应堆组件镀层、包覆和掺杂来进行管理。

图4显示了反应器(300)，在该反应器的两个面上放置了饼状感应线圈(320)。箭头330大致显示磁场。从两个面加热的一个好处是有可能使反应器的加热更加均匀。另一个是，它可能允许更全面的加热功率或更有效地利用反应器体积。饼状线圈感应加热器通常用于炉灶；这些设备的功率水平通常从1千瓦(kW)的加热范围到10千瓦或更高。这一点尤其有价值，因为前两份专利文件的太阳能热化学反应器被证明其太阳能加热率高达约10-12千瓦的热量。当表面积有限或表面为不规则形状时，饼状线圈也可以堆叠(平铺)(图中未显示)以增加感应系统的能量密度。

图5说明了一种配置，其中反应通道含有催化剂，通量集中器(510)置于反应通道内或靠近反应通道。集中器是一种铁磁性或顺磁性物质，它将磁场吸引到它的内部，因此向催化剂通道或紧邻它们的地方提供优先加热。

通量集中器可在3D打印操作期间、3D打印发生后或其他制造步骤中安装在通道内。通量集中器可以是结构的一个整体部分(例如，如果它们是在3D打印操作过程中建立的)，也可以是非结构性的(例如，作为一种材料，被插入到fecralloy泡沫内，fecralloy泡沫内也插入有催化剂材料)。内部沉积有催化剂的fecralloy材料的一个特点是，它具有铁磁性，但居里温度约为600℃。因此，当它接近和超过该温度时，它就会失去其铁磁特性(并成为顺磁性)。对于需要较高温度的反应和其他单元操作，可以利用不同于铁铬合金(FeCralloy)的材料，以便有嵌入式的通量集中器；但是，铁铬合金(FeCralloy)仍然可以在启动期间为结构的预热提供支持。钴-铁(FeCo)或铝、镍和钴(AlNiCo)等合金--具有较高的居里温度(从约800℃到900℃以上)铁磁特性在稍低的温度下开始下降。正如本领域的技术人员所知，在这些温度下，使用包括铑在内的传统催化剂，蒸汽-甲烷重整可以快速进行。因此，FeCo和AlNiCo是适用于高温反应通道感应加热的材料。其他材料，如铁铬合金(FeCralloy)或铁或镍，可能适用于需要更适度温度的单元操作，如用于蒸汽生成、解吸、蒸馏或其他反应，或简单的加热。

另外值得注意的是，有机会根据其对温度敏感的磁特性来选择通量集中器材料，以便将更多的热量添加到较冷的通道或较冷的通道的部分，而不是添加到较热的处理通道和/或部分。更高的温度意味着更快的化学(动力学)反应速率，但过高的温度可能会损坏接收器、催化剂、吸附剂等材料。此外，通过有选择地将感应加热集中到接收器的较冷部分，反应、分离或其他吸热操作可以加快，并且可以实现微通道和/或中通道的更高的整体生产力。

在图5A中，通量集中器(520)作为感应增强器运行，并被放置为靠近反应器外壁、在反应器外壁上、靠着反应器外壁或正好在反应器外壁内。作为感应增强器，它们吸引并加强了从感应器到反应器主体的磁场，并且由于它们可以产生大量的热量，因此最好与反应器主体保持良好的热接触。可以使用热粘贴材料将感应增强器/通量集中器材料粘贴到反应器上，也可以通过其他方法固定，如激光焊接或钎焊。通量集中器可以是每个反应器一侧的单个单元，也可以是多个单元，例如，通量集中器材料的同心环可以放在外壁上、靠着外壁或正好在外壁内。在图5A的情况下，热量通过通量集中器211和/或在反应器壁内的通量集中器520中的感应产生，并传导至含插入催化剂的通道510。具有高居里温度(在某些情况下高达950℃)的钴铁(CoFe)合金已被证明可以提供高磁导率和适当的发热率，并在实验中用作感应增强器，使目标(如反应器)可以被放置在离感应线圈2厘米的地方。1至2厘米的距离特别有用，因为它们允许在反应器和线圈之间放置适当的隔热材料，限制热量从反应器传导到线圈，也使线圈更容易冷却，例如使用空气冷却、水冷却或被动冷却方法。

图6A和6B展示了第二个可供选择的实施方案，用于感应加热微通道和/或中通道反应器、热交换器或分离器。图6A显示了穿过环形盘接收器(600)中心的剖面，其中有一个明显的区别：在中心或靠近中心的地方有一个孔，允许多圈的电线线圈围绕并通过该单元。感应线圈(620)环绕接收器主体，或更优选地环绕接收器主体周围的一个或多个隔热层，迫使EMF进入接收器，并更有效地利用EMF产生涡流电流，这些涡流电流将倾向于在接收器的孔周围以近似圆弧的方式传播，通过磁滞损失和/或焦耳加热产生热量。

图6B显示了顶部(或底部)视图，感应线圈(620)包裹着接收器(600)。虽然这个视图只显示了72个表面匝数，但匝数是基于能量传输的需要，并不是一个限制性数量。匝数的选择是为了可视化的目的。很多表面匝数--成百上千个--是可能的。虽然没有显示，但通量集中器也可以放在环形接收器内，以便在靠近催化剂、吸附剂或其他需要优先加热的地方优先产生热量，或者屏蔽接收器中不需要加热的区域。

这种环形方法可用于加热吸热反应器，如本文中已经描述过的。另外，通过分割线圈并独立控制每段，热量可以在各段之间具体变化。这在操作热摇摆或热增强的压力摇摆吸附系统时可能特别有用，各个协同操作的通道的集合作为"单元室"，但各单元室有目的地协调操作或非协调操作。非协调操作的例子可能是有益的，例如在美国专利6,974,496中描述的单元，其包括具有内部热再生的多单元室微通道和中通道吸附单元。

作为另一个例子，在通道内使用铁磁性泡沫(例如，FeCralloy)可以支持在需要汽化的流体内安置有限的热量。然而，其他的实施方案也是可能的。例如，线圈可以以非圆形的几何形状排列，如三角形、正方形、六边形、八边形等形式。线圈可以以平面或非平面结构"堆叠"在一起；然而，设计者在将单元堆叠在一起时应考虑建设性和破坏性干涉。

可以添加隔热材料，以a)限制热泄漏以及b)将反应器与感应线圈进行热分离。理想情况下，线圈位于被加热的单元附近，但用隔热层(例如，厚度为毫米至厘米，即1-30毫米或1-20毫米或1-10毫米)将线圈与微和/或中通道装置分开。铜，如Litz线或铝，是感应线圈的首选材料。然而，它们在偏高的温度下的表现不尽如人意，因此，必须与高温反应器隔离，或进行冷却(主动或被动)，以达到最高性能。

具有附加的加热通道的用于感应加热的基本混合微/中通道结构

在以前的工作中，我们发明了一个微/中通道化学处理器单元，用于吸热操作--更具体地说，是一个催化饼状反应器--其效率得益于从两面加热反应通道。如美国专利9,950,305所述，饼状反应器是一个逆径向流动的反应器，有流出的反应通道，有催化剂，且反应产物随后在相邻的通道中向内流动，从产物中向催化反应通道提供明显的热量。以这种方式，这种热量是在对侧提供的太阳能热能之外的。

内部逆流是一种从产物流中回收能量的特别有效的方式，在能量上比简单地使用产物流来进一步预热反应系统(比如说使用外部逆流微通道热交换器)更有效。从本质上讲，产物流中的明显的热量被回收到其反应通道流中。

这种方法的优势体现在图10中，它显示了两种反应器设计中的模拟温度曲线。内部温度曲线的较大斜率表明，在进入催化通道、来自表面和返回通道的热比率中，太阳能加热的表面提供的热量更大。在这种情况下，大约8-10千瓦。然而，返回通道提供了大量的加热，整体通常是1-2千瓦。图中的线条显示了从反应器中心(0.0厘米)到外缘(13.3厘米)的距离的温度。离表面的深度是指从接受集中太阳能的表面进入反应器的距离。A-B范围代表催化微通道的深度和位置，C-D范围代表返回通道的深度和位置。热曲线显示，热量从表面和邻近的返回通道提供给催化微通道。

其他实施方案可以在返回通道中使用单独的热源，例如来自燃料流体的热量。返回通道可以被重新配置，以便它们可以回收到其他反应通道。一个重要的好处是抛物线盘和/或反应器设计中的不完善之处得到了缓解，通过减少反应器中的"热点"的方式。例如，盘的抛物线形状的不完善会在化学处理器表面产生热点和冷点。另外，流程中的不完善之处(由处理单元设计中的可以被放大细微变化带来的)：流量稍有减少的处理通道将倾向于变得更热，在产生更大的反应的吸热化学反应的情况下，在像蒸汽重整的情况下，相应地增加体积流量，其促进进入更热通道的质量流量进一步减少；而接受更大流量的通道将倾向于变得较冷，随着体积流量的增加产生更低的反应比例。这是一个不理想的正反馈循环，往往会进一步提高较热通道的温度，放大热点，并进一步降低较冷通道的温度。

即使在反应器结构中使用镍超合金，热点也是有问题的，因为这些合金的强度在非常高的温度下(例如在800-1000℃范围内)随着温度的升高而迅速下降。因此，让"最热"的反应通道回收到相对较冷的通道，反之亦然，提供了有效的热扩散，并创造了一个负反馈循环，缓解了正反馈循环，从而使系统性能得到改善，合金结构的强度得到提高。这方面的机会在模拟中是显而易见的，模拟中预测最热的点的温度可降低高达100℃。

两层和三层微/中通道化学处理单元的感应加热的热穿透

对于感应加热，我们试图保持先前发明中负反馈循环的优势--由内部逆向流动结构带来的，但发现需要额外的改进，以使我们的基本反应器概念适应高效的感应加热。

我们还发现，镍超合金往往是(或被理解为)弱顺磁性的，对感应加热来说既有优势也有劣势。例如，已知顺磁材料的感应加热是通过焦耳加热(通过感应的涡电流)，不包括磁滞加热组件。这意味着加热能力降低，但也意味着减少反应器表面热点的能力提高。

当加热由涡流加热主导时，识别和利用作为处理单元结构深度的函数而产生的加热变化是非常有用的。许多感应加热的参考文献定义了一个术语，"热穿透"(δ)，是指到外部加热材料(其中86％的加热发生)的距离；其他14％发生在设备的更深处。一个常见的数学表示法是：

δ＝5000SQRT[σ/μf]

其中σ是材料的电阻率，单位是欧姆-厘米(Ω-cm)，μ是材料的相对磁导率(无单位，空间真空的数值为μ＝1)，f是磁场的频率，单位是赫兹(Hz)。在这种情况下，δ的单位是厘米(cm)。

对于近期的应用，预计感应线圈的频率通常在1-100kHz之间，更优选在1-50kHz之间，因为一些感应加热单元已经被设计用于这个频率范围内的应用。这些单元，包括电力电子装置，已进入大规模生产，并已被证明能以高效率运行。

在这里，我们考虑加热由镍超合金Haynes 282构成的微/中通道装置的情况，这种合金是为高温应用(如燃气轮机)开发的，与许多其他合金相比，它表现出有利的特性，增加了高温化学处理装置的使用寿命。开发工作也取得了进展，证明了Haynes282适用于微/中通道部件的增材制造。例如，见美国专利10,981,141B2，该专利描述了设计和制造增材制造的饼状反应器的方法。

Haynes 282的电阻率不会随着温度的升高而大幅增加。因此，Haynes 282合金的热穿透距离随频率变化更强烈，因此我们可以计算出Haynes 282的热穿透(δ)在代表性的频率(例如25kHz)下计算为3.61毫米(mm)；如果我们假设感应系统的工作范围仍然较窄，为10-40kHz，则约为2.85-5.71毫米。这让我们初步了解到，在我们的化学处理器中，大部分感应加热将发生在这个大概的深度。

另外，以进入反应器的半能量距离(d_1/2)来考虑感应加热也是有用的，在这个半能量距离上，接收到的磁能(E)有一半转化为热量。这个术语在数学上类似于放射性衰变，物理学家讨论一个放射性同位素样本的一半衰变为另一个物种的时间。在两个半厚的地方(2d_1/2)，3/4的能量已经转化为热量；在三个半厚的地方(3d_1/2)，7/8；在4d_1/2，15/16，等等。因此，在微/中通道接收器内，能量转化为热能的关系是：

E/Eo＝e^-λt

其中Eo是进入化学处理器的磁能，E代表未转化为材料中热量的磁能，λ是基于材料特性的"衰减常数"，实际上等于2/δ，而t作为一个变量代表进入材料的厚度，在这个厚度上E的值是理想的。因此，半能量距离是：

d_1/2＝ln(2)/λ

对于Haynes 282来说，在25千赫兹时，它大约是1.25毫米。

在图10中，我们比较了两种情况的热曲线，一种是将热量加到微/中通道化学处理器的外部(例如，通过使用抛物线集中器将太阳能反射到催化中通道反应器的表面)，另一种是用25kHz的交变磁场在同一化学处理器的盖子内加热。在这种情况下，盖子的厚度为5毫米；也就是说，催化中通道位于反应器中的5毫米处。由于每个半能量距离是1.25毫米，盖子的厚度是四个半能量距离，传入的磁能在盖子中已经转化为热能的分数是15/16，而进入处理通道的磁能的分数已经下降到1/16。这是可取的，因为我们还想从返回通道向处理通道提供额外的(回收的)加热。

图11显示了一个有代表性的设计，即感应加热、蒸汽-甲烷重组的情况下，从产品气体中进行内部回收。这显示了三层催化饼状反应器的一部分的横截面，具有逆向横流换热，突出了两个反应通道和一个返回通道。

流动是逆向流动，但考虑这个例子是很方便的，当流动大致是垂直于页面移动时。

该横截面被选在反应器中返回通道和反应通道相互顶着的位置。感应器，每个饼状线圈，通过涡流(如焦耳加热)产生热量，也可以通过紧邻的表面金属(在上侧，这被表示为"顶壁"，可能包括感应增强器)的磁滞加热产生热量。

顶壁和感应器之间的间隙允许放置隔热材料，并限制热量传递到线圈，这可能需要被动或主动冷却。在需要感应增强器的应用中，一种选择是放置一层薄薄的钴铁(CoFe)，它具有极高的相对磁导率和高居里温度(约970℃)。这里，感应增强器通过焦耳加热和磁滞加热产生热量。

图11是三层催化式饼状反应器的横截面图。感应增强器可被纳入到基本反应器概念中，以增加感应器和反应器之间的"耦合"程度。这有利于在允许感应线圈和反应器之间有厘米级间隙的距离上进行更大的能量传输，减少了被动或主动冷却线圈的需要，并能在更高的功率水平下运行和获得更高的电-化学能源效率。

图12说明了两层和三层饼状反应器的热曲线图形。与之前的图形相比，这些图是侧向的，以方便讨论我们设计的感应加热反应器内的温度梯度。本图假定不使用感应增强器，并将感应加热的情况与通过其他方式(如太阳能聚光器)将热量引入反应器表面的情况进行比较。

图12A显示了基于计算机模拟和计算的近似温度曲线，展示了在左边通道中进行蒸汽-甲烷重整的2层饼状反应器的温度曲线，2层饼状反应器在左边通道中进行蒸汽-甲烷重整，反应的化学产物在右边通道中逆向流动到反应通道。该截面接近反应通道的出口温度，并被选在两个通道紧紧相邻的地方。这张图片的右侧描述的是隔热。感应器(没有显示)在该单元的左边。

图12B显示了基于计算机模拟和计算的温度曲线，代表了三层饼状反应器的温度曲线。最外面的两个通道是反应通道，在其中进行蒸汽重整，最里面的通道包含反应的产物，为反应通道提供逆交叉热回收。横截面被选为靠近反应通道的出口点，并且是在三个通道紧紧相邻的地方。感应器(未显示)在单元的左边和右边。在这两幅图中，温度的单位是摄氏度。虚线显示了在直接向表面加热的情况下最外壁的温度曲线。相比之下，实线表示，对于感应加热，热量在壁内产生，而不仅仅是在表面。在每种情况下，我们将感应加热的壁的厚度表示为半能量距离(d_1/2)的数量(n)。对于d_1/2＝4的情况，由磁能产生的热量有15/16被转化为墙内的热量。余下的发热机会，或者说余下的1/16，可以在催化反应通道内产生。通过对感应系统的适当设计(包括频率的选择和反应结构的设计)，确保从能量有利的回收中获得效率的提高，以便几乎不发生经过反应通道(或在最右边图示的两个反应通道之间的空间)的感应加热。

化学转化器

化学转化器是处理密集型的化学处理系统，通过整合微通道和中通道的反应器、分离器、热交换器、汽化器和冷凝器，获得经济和生产力优势。这些可大规模生产的单元的紧凑尺寸，加上它们的高处理密集度，使它们能够在相对较小的系统中以类似于电力转化器的方式使用。

在一个实施方案中，化学转化器进行蒸汽重整和水气变换反应，利用电能为吸热操作提供热量，如碳氢化合物(如甲烷)的蒸汽重整、蒸汽生成、预热流体，当然也为经典的机械或电气操作提供能量，如驱动泵、压缩机、阀门、控制装置等。电化学操作也可以得到支持。氢气和其他化学品可以在化学变压器中利用甲烷重整、水气转换、热交换和其他单元操作来生产。放置一个小型化学转化器，如下面幻灯片中所示的单元，其占地面积约为2平方米，提供了一个每天产生约150-200kg(或更大或更小的数量)H₂的机会。

图7展示了一个六角形的化学转化器，它可以被拉开成两个半六角的子系统，用于组装、运输和维护。在这个描述中，有五个饼状的微通道蒸汽甲烷转化器，每个都在每一侧有感应加热线圈，还有水气转换反应器，其处理每个转化器的产品。还包括各种微通道热交换器，加上控制值和传感器(如热电偶和压力传感器)。将电网中的交流电转换为感应线圈所需的更高频率的电力的发电机定位成，如同位于系统最底部的紧凑盒子中。在这种设计中，没有泵或压缩机，但这些机械单元可以包括在化学转化器中。

图示的五个，饼状微通道重整器(图7)，最好是基于反应器内的逆流通道，加上额外的热交换器，以感应加热作为吸热蒸汽-甲烷重整操作的热源，该操作最好是在700℃以上；更优于800℃以上进行。目前，世界上大多数国家首选的低成本制氢方法是基于蒸汽甲烷重整，这种吸热操作所需的能量的一部分最终来自于进入的甲烷原料，例如通过燃烧"尾气"，该尾气是由蒸汽甲烷重整器和水气变换反应器下游的压摆吸附系统运行产生的。

使用太阳能或其他能源来驱动吸热操作，可以减少使用甲烷获得所需热量的必要性。这有可能将与整个系统相关的化石碳排放减少高达40％左右，而且，如果替代能源来自可再生资源，如太阳能热能或来自风力发电机或太阳能光伏发电的电力，则可确保化学产品中至少在某种程度上是可再生的能源。此外，当非化石甲烷源作为原料时，该系统的化石碳排放可以是零。

选择六角形作为配置内部结构的有效方式，内部结构包括管道、控制件(如阀门)和传感器(如压力传感器、热电偶和化学传感器)。六角形的使用(六角形在几何形状上可以是"规则的"或"不规则的"，可以分成两个"半六角"部分，如图7所示)进一步加强了六角结构内的部件组装，并允许六角系统被打开，以便更容易接触到部件进行维护和更换。

除感应加热器外，其他方法也可用于吸热操作的电加热，包括电阻加热器，如盒式加热器，以及辐射加热器。

参照图8，通过使用可再生天然气作为碳氢化合物原料，其中的碳含量开始是大气中的CO₂，所产生的H₂产品没有相关的碳排放。在一些优选的实施方案中，在阳光充足或风大的时期产生的多余的可再生能源，可以用来产生H₂，可以立即使用或储存起来供以后使用。其次，像甲醇和/或二甲醚这样的化学品，碳产品可以与氢气一起共同生产。这种额外的生产可以通过额外的反应和分离来完成。

我们还设计了一个化学转化器，在使用六个蒸汽甲烷转化器(SMR)、六个高温回收(HTR)热交换器、两个隔热的水-气转换反应器以及它们之间的中间热交换器的基础上，附加上蒸汽发生器和水冷凝器热交换器，以提供转化的合成气(重整产品)。该系统被设计为支持每天生产高达200公斤的H₂，基于未显示的下游包含的H₂分离器/净化器(如变压吸附装置[PSA])，来自PSA的尾气包含CO2、未反应的CH₄、H₂和其他少量成分(如CO、H₂O等)。

图9是计算机辅助设计(CAD)的部分效果图，显示了不规则HEX结构的一半。为了实现完整的HEX，还要加上第二个HEX，产生一个六面的系统。HEX的上半部分包括三个径向设计的SMR，每个SMR上面有一个HTR，另外系统的其他元件包括阀门、传感器、管道/管子等。在Half-HEX的右边是一个垂直罐，它将水从移位的合成气产品中进行汽液分离，然后再输送到HEX外部的下游处理，如用于H₂分离和净化的PSA系统。在这个实施方案中，蒸汽是通过PSA尾气的催化燃烧产生的。在另一个实施方案中(未显示)，蒸汽是利用电加热产生的。

在图9所示的装置中，Half-HEX的上半部分内部有三个SMR(其每侧都有感应加热器)，SMR上方的三个HTR，两个隔热的WGS反应器(有中间的热交换器)，还有各种管道、传感器等。在下半部分，有一个空气鼓风机，为尾气的催化燃烧提供空气，产生蒸汽的热量；水泵，以及其他组件，包括水和甲烷的质量流量控制器。在最上面的是燃烧气体的排气柱。侧板和保温层没有显示。在这个实施方案中，占用空间是一个不规则的六边形，长轴约为5.6英尺，短轴(包括第二半HEX)约为4英尺，产生完整HEX的总占用空间约为20平方英尺。将系统分解成两个半HEX便于组装，例如使用包括装配线在内的大规模生产方法，以及运输到现场进行操作。此外，两个半HEX可以在运行现场拉开，便于维修和启动测试。

该系统被设计为组装成一个滑动垫木结构，从上面看，似乎是一个不规则的六边形。然而，任何结构都可以使用。SMR的设计是通过电加热，如使用感应加热器，而不是像行业内一般通过燃烧尾气或其他可燃材料来加热。这使我们能够在世界部分地区(存在良好的太阳能资源)使用光伏太阳能电池板来加热我们的SMRS。另外，也可以使用任何其他电力来源，包括来自电网的电力。

这种配置创造了将多余的电能转化为氢气的能力，当电网需要额外的能量时，氢气可以用来为燃料电池或其他发电机提供动力，包括热力发动机(如燃气涡轮机、斯特林或奥托循环发动机)。通过这种方式，我们创造了一个电-化学转化器，放大了甲烷的能量。例如，甲烷每公斤有50兆焦耳的燃料能量。制造一公斤氢气需要2公斤甲烷，而氢气有120兆焦耳。这意味着燃料能量含量增加了20％。这是可能的，因为通过添加电力来加热高温、吸热的甲烷重整反应所提供的能量增加了反应流的燃料能量。

该系统也可以被认为是一个电能的放大器。制造一公斤的氢气需要大约15千瓦时的电力。如果使用燃料电池转换氢气，假设效率约为55％，它将产生约17千瓦时的电力。最后，该系统可以用来在需要的地方制造水，因为它制造的水多于消耗的水。在SMR中每使用18公斤的水来制造氢气，燃料电池将排放36公斤的水蒸气，这使得SMR/燃料电池过程也是一个水放大器。

氢气生产行业一直依靠大规模的经济效益来降低生产成本。硬件大规模生产的经济性将降低化学转化器生产的氢气的成本。一个每天200公斤的SMR垫木(不包括控制板、脱硫、脱离子水和变压吸附)的占地面积约为2米。另外，在化学转化器内进一步堆放SMR，可以在一个大约1平方的区域内实现9个设计的SMR，每天能够生产超过300公斤的氢。设计的模块化允许在有甲烷、水和电的基础设施的任何地方现场生产氢气。

处理密集型的微通道和中通道SMR

反应器测试

使用称为选择性激光熔化(SLM)或激光粉末床熔化(LPBF)的增材制造工艺制造蒸汽甲烷重整器(SMR)反应器。直径约为11英寸，厚度小于1英寸。顶部中央的结构有两个开口，一个通道用于将反应物、甲烷和蒸汽流入反应器，一个通道用于将产品重整气体流出反应器。周边的凹槽用于电火花加工(EDM)，以去除外环。涂有SMR催化剂的金属泡沫结构被插入催化剂通道中。环形物在周边被替换，并被焊接到位，以密封反应器，但顶部的进口和出口通道除外。这种类型的反应器在美国专利号9,950,305中有所描述，反应通道是直的，而返回通道(传热通道)是弯曲的，因此提供了从返回通道到反应通道背面的逆流热交换。通过在进口和出口通道上安装高温回收换热器来完成制氢模块，如图13所示。回收换热器将热量从热的产品气流转移到进入的冷反应物气流中，以使氢气生产模块更加节能和富有成效。

反应器从底部的饼状感应线圈中加热。通过感应器的交流电产生一个磁场，其在相邻的反应器中感应出微小电流。反应器放置在一个额定功率为5千瓦的商业感应线圈的顶部。

SMR反应器在处理通道出口附近的温度超过750℃，或800℃或更高，或750至900或950℃之间时运行。由于线圈在标准的SMR温度下会被损坏，所以在感应线圈和反应器之间放置了隔热材料。可以通过空气对流地穿过线圈的与反应器相对的一侧来冷却线圈，或者通过在线圈上放置一块冷板来进行冷却。冷板的一个例子是铝块，冷水通过嵌入铝中的通道或管道流动。该配置在线圈和反应器之间使用了1.2厘米的隔热层，并且用空气流冷却线圈。

这些测试结果说明了使用反应器主体作为CoFe的温度调节器的重要性，其磁化率随着居里温度的接近而下降。通过在CoFe和反应器之间获得良好的热接触，CoFe的温度被限制在大约比反应器表面略高的温度，在反应器的所有区域，其应该低于900℃。

促进感应线圈和反应器之间的感应耦合的创新是在线圈和反应器之间添加另一层作为感应增强器的材料，它是铁磁性的。一片大约0.35毫米厚的钴-铁(FeCo)片被插入隔热层和SMR反应器之间，并用热胶贴在反应器上，热胶固化成与反应器温度相适应的陶瓷材料。钴-铁材料的居里温度约为950℃，在这里它发生了相变，从铁磁性转变为准磁性。

最初的活动是在不同的温度下测试反应器，同时保持9SLPM的甲烷流量、132psig的压力和3:1的蒸汽与碳的比例。甲烷转化率作为反应器温度的函数，是位于反应器周边的12个热电偶的平均值，密切跟踪平衡转化率(在3％以内)，表明反应器是平衡限制的，具有更高的潜在生产能力。这是预期的，因为该试验的流速约为反应器设计流速的三分之一。如上所述，在全设计流量下的测试受到测试装置的感应加热能力的限制。同样，在这些试验条件下，甲烷转化为二氧化碳的部分和平衡摩尔分数，也受到平衡限制。当感应加热器的功率在1.85和2.45千瓦之间时，感应过程的热能效率在50-52％之间。热能效率是将功率转换为化学能的效率，定义为SMR入口和出口流之间的焓值变化除以感应加热系统消耗的功率。一个类似的指标，称为化学效率，即水流的更高热值(HHV)的变化除以感应功率，在感应加热器功率在1.85和2.45千瓦之间时，测量结果为58％到62％。在这个测试中，热能效率一直在50％以上，而转化为更高热值则在60％左右。热能效率可以与之前Amind等人报告的10％或23％的能源效率进行比较，该报告见Amind等人,Catalysis Today,第13-20页(2020年2月)。

周边平均温度与感应功率电流的关系图见4。反应器温度由感应功率的脉冲宽度调制来控制。这意味着感应电源的开启和关闭，因此只在给定的时间脉冲中的一小部分时间内开启。因此，图14中的电流在零和最大耗电量之间沿电流数据的顶部振荡。数据显示，在这些条件下将反应器加热到800℃，感应系统完全开启，在最大约13安培的功率中，只消耗了约7安培的功率。随着反应器温度逐级降低到750℃，最大功率的消耗也在增加。由于钴-铁(Co-Fe)片的居里温度为950℃，这意味着该片比SMR反应器的周边温度高得多。如果在Co-Fe板和反应器之间有空气间隙，会产生热阻，使热量从一个传到另一个，这可以预期。测试后观察到反应器上的Co-Fe板的分层。可能的原因包括钴-铁板中的残余应力在材料被加热时造成翘曲，正如在早期单独对钴-铁板的加热测试中观察到的那样，或者由于钴-铁材料和海恩反应堆壁之间的热膨胀系数(CTE)不匹配。

形成刚性陶瓷材料的导热膏被替换为由98％的铜和2％的银组成的钎料，以便在钎料连接处提供更多的延展性和顺应性，以适应CTE的不匹配。用新的钎焊材料运行反应器，结果如图15所示。SMR的热效率从第一次测试的略高于50％提高到60％以上。为了确定系统的最小能量损失，甲烷的流速被降低到尽可能低。虽然新的铜银钎焊提高了效率，但正如测试后所观察到的那样，部分钴铁在运行过程中仍然从反应堆中分离出来。

下一个尝试是将钴铁板重新配置成一个改进的、工程化的感应增强器，产生圆形的片段，然后用铜银钎焊焊接到反应堆壁上，如16所示。此外，为了保护钴铁在空气中的氧化，还在表面涂了一层高温漆。连接较小的钴铁片可以减少材料的整体横向膨胀，从而提高钎焊在热膨胀过程中支持钴铁和Haynes反应器的相对运动的能力。图17显示了在图中运行反应器的结果效率。可实现的功率水平从约2.7千瓦增加到近3.6千瓦，热能效率从最高60％增加到66％。测试后对反应堆表面的检查显示，一些圆环段已经分层，其他的则是松散的连接。

感应加热的三层SMR

在本节中，我们描述了一个电感加热的三层SMR的整体包装设计。SMR内的三层是两个处理层夹着一个传热层。感应增强器可以包括也可以不包括，因为有些单元处理可能不需要感应增强器。例如，在适度高温(如200℃或更低)的情况下，可以很容易地在处理装置由铁磁合金(如磁性不锈钢)制成的温度下进行蒸汽生成，而且操作温度可能不需要在反应器主体和感应子系统之间进行隔热。

图18显示了一个三层处理单元的感应子系统的爆炸图--带有感应增强器，这可能是由于处理单元是由相对磁导率不高的材料(例如，顺磁、铁磁或非磁物质)制成的，所以需要感应增强器。也可能是因为处理装置的工作温度要求在处理装置和感应线圈之间有一个带隔热的间隙。从上到下，本图中的感应增强器包括一个由合适的材料(如英科耐尔)制成的间隔板；一种具有高相对磁导率的材料(最好是铁磁材料，如CoFe)；以及另一块间隔板，在本图中，该间隔板已被加工成适合CoFe的形状，在感应增强器夹层中被配置为径向单元。另外，铁磁材料可以配置成许多可能的几何形状，包括同心环、分段同心环、瓦状单元等，而且它们可以相互靠近或重叠在一起。感应增强器夹层可以靠近加工单元，也可以直接接触，例如，可以通过使用热熔胶、钎焊材料、点焊或任何其他合适的方法将其贴上并保持良好的热接触。在这种情况下，感应增强器夹层可额外起到将铁磁材料与空气隔离以防止氧化的作用。请注意，在连接夹层的部件时，必须注意防止与不同热膨胀系数有关的问题。因此，在设计和装配感应增强器夹层时，可以包括伸缩缝和其他伸缩缓解措施。还要注意的是，感应夹层还可以包括从夹层中突出或进入加工单元的部件。

Claims (46)

1.一种化学处理器，包括：

处理层，其具有适于响应于交变磁场加热的顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；

处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；

传热层，其邻近处理层的底壁；

传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁与底壁之间的侧壁；

传热层包括适于流体流动的通道以及入口和出口，使得流体能够流入和流出传热层；

其中，处理层的出口连接传热层的入口，使得流体能够流出处理层并流入传热层；

其中，处理层的底壁为传热层的顶壁，或壁热接触；和

感应器，其配置为在处理层的顶壁中产生交变磁场。

2.根据权利要求1所述的化学处理器，其中所述处理层包括多个微通道或中通道。

3.根据权利要求1或2所述的化学处理器，其中传热层包括多个微通道或中通道。

4.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，其中，在操作期间，传热层中的流动与处理层中的流动方向相反。

5.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，其中在操作期间，流动是横流，使得传热层中的多个微通道或中通道与处理层中的多个微通道或中通道重叠，使得通道交叉，所以流动既是逆流又是横流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，其中所述电感器是饼状感应线圈或环形感应线圈。

7.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，进一步包括感应增强器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，还包括放置在处理通道内的感应感受器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，其中所述顶壁在室温下是亚铁磁性的或铁磁性的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，其中所述顶壁在室温下是顺磁性的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的化学处理器，还包括回热式换热器，其中在流向处理层的处理流与流出传热层的产物流之间存在热传递。

12.根据权利要求11所述的化学处理器，其中所述回收热式换热器是微通道回热式换热器。

13.一种化学转化器，包括权利要求1至12中任一项所述的化学处理器。

14.一种进行吸热化学过程的方法，包括：

将处理流传送到设备中，所述设备包括：

处理层，其具有适于响应于交变磁场加热的顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；

处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；

流经处理层的通道的处理流；

传热层，其邻近处理层的底壁；

传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁与底壁之间的侧壁；

传热层包括适于流体流动的通道以及入口和出口，使得流体能够流入和流出传热层；

使传热流体流经传热层的通道；

其中，处理层的底壁为传热层的顶壁，或壁热接触；

其中传热通道中的传热流体与处理通道中的处理流之间进行热传递；并且

通过感应器在处理层的顶壁中产生交变磁场；其中顶壁被交变磁场加热，并且将顶壁的热量传递到处理流中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述处理层的出口连接到所述传热层的入口；

其中传热层包括多个微通道或多个中通道，其中处理流流出处理层并进入传热层的多个微通道或多个中通道。

16.根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其中所述吸热化学过程是化学反应。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述化学过程是催化化学反应。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述化学过程是甲烷蒸汽重整。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述化学反应包括重整反应或逆水气变换反应。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述吸热化学过程包括蒸发产物流。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，进一步包括在进入处理层之前的处理流与已经离开热交换层的产物流之间，进行热交换的步骤。

22.根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其中所述吸热化学过程包括化学分离。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述化学分离包括蒸馏或吸附。

24.根据权利要求14所述的方法，其中所述传热流体包括处理层中化学反应的反应产物。

25.根据权利要求14至24中任一项所述的方法，其中交变磁场以1至100kHz之间的频率交替。

26.根据权利要求14至24中任一项所述的方法，其中交变磁场以1至50kHz之间的频率交替。

27.一种化学处理系统，包括：

处理层，其具有适于响应于交变磁场加热的顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；

处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；

处理流，其流经处理层的通道；

传热层，其邻近处理层的底壁；

传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁与底壁之间的侧壁；

传热层包括适于流体流动的通道以及入口和出口，使得流体能够流入和流出传热层；

传热流体，其流过传热层的通道；

其中，处理层的底壁为传热层的顶壁，或壁热接触；

其中传热通道中的传热流体与处理通道中的处理流之间进行热传递；和

感应器，其在处理层的顶壁中产生交变磁场；其中顶壁被交变磁场加热，并且顶壁的热量传递到处理流中。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述处理层的出口连接到所述传热层的入口；

其中传热层包括多个微通道或多个中通道，其中处理流流出处理层并进入传热层的多个微通道或多个中通道。

29.根据权利要求27至28中任一项所述的系统，其中基于流体能量含量的净增加与消耗的电能的比率，乘以100％，系统热能效率大于50％(在一些实施例中，50％至约90％)。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其中基于流体的较高热值的净增加与消耗的电能的比率，乘以100％，系统化学效率大于70％(在一些实施例中，70％至约90％)。

31.一种环形化学处理器，包括：

环形处理器，由适于响应交变磁场加热的环形反应器壁限定，并且包括布置在环形反应器壁周围的感应线圈；

化学处理通道，设置在环形反应器壁内；并且

所述化学处理通道包括入口和出口。

32.根据权利要求31所述的环形化学处理器，其中所述化学处理通道包括多个通道，所述多个通道从中心轴线附近径向延伸到环形的周边附近。

33.根据权利要求31至32中任一项所述的环形化学处理器，还包括与所述化学处理通道相邻的传热通道。

34.一种饼状化学处理器，依次包括：

第一饼状感应器，配置为在第一处理层的顶壁中产生交变磁场；

第一处理层，其具有适于响应于交变磁场加热的顶壁、与顶壁相对的底壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；

处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；

传热层，其邻近第一处理层的底壁；

传热层具有顶壁、与顶壁相对的底壁，以及设置在顶壁与底壁之间的侧壁；

传热层包括适于流体流动的通道以及入口和出口，使得流体能够流入和流出传热层；

其中，第一处理层的底壁是传热层的顶壁，或壁以其他方式热接触；

第二处理层，其具有适于响应交变磁场加热的底壁、与底壁相对的顶壁以及设置在顶壁和底壁之间的侧壁；

第二处理层包括适于流体流动的通道和适于流体流入和流出处理层的入口和出口；以及

其中第二处理层的顶壁是传热层的底壁，或壁以其他方式热接触。

35.根据权利要求34所述的饼状化学处理器，还包括第二饼状感应器，其配置成在第二处理层的底壁中产生交变磁场。

36.根据权利要求34至35中任一项所述的饼状化学处理器，其中所述第一处理层和第二处理层包括从中心轴线辐射的通道。

37.根据权利要求34至36中任一项所述的饼状化学处理，其中处理层和传热层包括构造成用于逆流、横流或逆横流热交换的通道。

38.一种被动控制感应加热吸热单元运行温度的方法，包括：

通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学处理器的接收体；

其中，接收体在室温下为亚铁磁性的或铁磁性的；

其中处理流被接收体加热；

其中，接收体具有居里温度；

其中，处理流的温度接近居里温度的至少50℃，并且其中，由于接近居里温度的至少50℃，接收体的相邻部分对化学反应物的磁化率减少至少10％或至少20％。在本说明书中，磁化率是指体积磁化率。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述操作包括吸热反应、分离和/或蒸发。

40.根据权利要求38所述的方法，其中化学反应物达到居里温度，并且其中由于达到居里温度，从接收体到化学反应物的热传递减少。

41.一种被动控制感应加热化学反应温度的方法，包括：

通过施加来自感应器的交变磁场来加热化学反应器的接收体；

其中，接收体在室温下为亚铁磁性的或铁磁性的；

其中化学反应物被接收体加热；

其中，接收体具有居里温度；

其中化学反应物达到居里温度，并且其中由于达到居里温度，从接收体到化学反应物的热传递减少。

42.一种化学转化器，包括：

多个蒸汽重整器；

多个回热式换热器；

其中，所述多个蒸汽重整器和多个回热式换热器设置在半六边形或半圆柱形外壳或能够打开成半六边形的六角形外壳或能够打开成半圆柱形的圆柱形外壳内。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。

43.根据权利要求42所述的化学转化器，包括以下部件：

多个蒸汽甲烷重整器；

多个回热式换热器；

水气变换反应器；

蒸汽发生器；和

水冷凝热交换器；

其中所有的部件设置在半六角形或半圆柱形外壳或能够打开成半六边形的六角形外壳或能够打开成半圆柱形的圆柱形外壳中。

44.一种生产氢气的方法，包括将碳氢化合物通入根据权利要求43所述的化学转化器中。

45.一种化学转化器系统，包括：

多个蒸汽重整器，包括催化剂和含有蒸汽和碳氢化合物的流；

包含氢气的多个回热式换热器；

其中，所述多个蒸汽重整器和多个回热式换热器设置在半六边形或半圆柱形外壳或能够打开成半六边形的六角形外壳或能够打开成半圆柱形的圆柱形外壳内。在这方面，术语六边形和圆柱形并不要求精确的几何尺寸，而是可识别的形状，允许组件在设置、维护或修理期间运输和打开以便接触。

46.一种检修根据权利要求45所述的化学转化器的方法，其中所述化学转化器设置在六角形外壳或圆柱形外壳内，所述方法包括：

打开六角形外壳或圆柱形外壳，形成两个半六角形外壳或两个半圆柱形外壳，每个外壳均具有开口面，并伸入外壳的开口面以访问化学转化器的部件。