CN117561114A - 结构化催化剂 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种结构化催化剂，其用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体。

Description

结构化催化剂
技术领域
提供了一种用于进行进料气体的吸热反应的结构化催化剂、反应器系统和方法，其中通过电阻加热提供用于吸热反应的热量。
背景技术
由于促进生产需要能量密集型反应，所以合成气生产通常在大型化工设备中进行。这使得小规模生产变得困难。另外，合成气的毒性(特别是由于一氧化碳的含量)使得合成气的储存变得困难并且带来显著的风险。
需要在小型设备中按需生产合成气。
发明内容
在第一方面，提供了一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂，所述结构化催化剂包含至少一个陶瓷元件和第一导电加热元件，所述陶瓷元件沿纵向方向从第一端延伸到第二端，其中所述第一端形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂的入口，并且所述第二端形成用于所述产物气体的出口，其中陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料，其中第一导电加热元件被固定至陶瓷元件，并且其中陶瓷元件和第一导电加热元件中的一个被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件和第一导电加热元件中的另一个。
因此，第一方面提供了一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂，所述结构化催化剂包含至少一个陶瓷元件和第一导电加热元件，所述陶瓷元件沿纵向方向从第一端延伸到第二端，其中所述第一端形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂的入口，并且所述第二端形成用于所述产物气体的出口，其中陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料，其中第一导电加热元件被固定至陶瓷元件，并且其中陶瓷元件被布置为至少部分地周向围绕第一导电加热元件。
并且，第一方面提供了一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂，所述结构化催化剂包含至少一个陶瓷元件和第一导电加热元件，所述陶瓷元件沿纵向方向从第一端延伸到第二端，其中所述第一端形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂的入口，并且所述第二端形成用于所述产物气体的出口，其中陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料，其中第一导电加热元件被固定至陶瓷元件，并且其中第一导电加热元件被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件。
在第二方面，提供了一种用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统，所述反应器系统包括：
a)根据第一方面的结构化催化剂；
b)容纳所述结构化催化剂的耐压壳，所述耐压壳包括用于使所述进料气体进入的入口和用于排出产物气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端进入所述结构化催化剂，并且所述产物气体从第二端离开所述催化剂；和
c)所述结构化催化剂和所述耐压壳之间的绝热层。
术语“进料气体的吸热反应”应当被理解为这样的反应方案，其中进料气体向产物气体的转化需要从其周围环境供应能量才能进行。
另一方面，提供了根据第一方面的结构化催化剂或根据第二方面的反应器的用途，其中吸热反应选自蒸汽甲烷重整、氰化氢形成、甲醇裂解、氨裂解、逆水煤气变换和脱氢反应。
本技术的其他方面在以下的详细描述、附图和所附权利要求中进行阐述。
附图说明
图1A以剖面图示出了根据本发明的具有结构化催化剂的反应器系统的一个实施方案的横截面。
图1B以剖面图示出了根据本发明的具有结构化催化剂的反应器系统的一个替代实施方案的横截面。
图2A和2B示出了结构化催化剂的实施方案。
图3A和3B示出了结构化催化剂的实施方案。
图4A和4B示出了结构化催化剂的实施方案的部件。
图5A-5F示出了结构化催化剂的不同实施方案的横截面。
图6A和6B示意性地示出了结构化催化剂的实施方案。
图7示意性地示出了结构化催化剂的不同实施方案。
图8A示出了结构化催化剂的一个实施方案的陶瓷元件的放大图。
图8B示出了结构化催化剂的一个实施方案的细节的放大图。
图9A和9B示出了结构化催化剂的两个不同实施方案的不同视图。
图10示意性地示出了结构化催化剂的一个实施方案。
图11示出了结构化催化剂的一个实施方案的部分。
具体实施方式
本技术描述了一种结构化催化剂，其用于在电加热反应器中促进以按需方式以紧凑型设计进行进料气体吸热反应的任务。
电加热反应器提供了制造非常紧凑的化学反应器的可能性，因为反应热量被直接传递到催化剂区域。
使用结构化催化剂的紧凑型电反应器可以轻松操作，并在需要时使用简单的启动原理来生产气体。这提供了一个相对便宜的设备，其中可以仅按照所需量来生产气体，几乎不需要储存气体，同时也减少或完全消除了气体的运输。简单的反应器设备和简单的工艺操作使得以异地设备生产气体具备了吸引力，这可降低处理气体的风险。
因此提供了一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂，所述结构化催化剂包括至少一个陶瓷元件和第一导电加热元件，该陶瓷元件沿纵向方向从第一端延伸至第二端，其中所述第一端形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂的入口，并且所述第二端形成用于所述产物气体的出口，其中陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料，其中第一导电加热元件被固定至陶瓷元件，并且其中陶瓷元件和第一导电加热元件中的一个被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件和第一导电加热元件中的另一个。
至少一个陶瓷元件沿纵向方向从结构化催化剂的第一端延伸至第二端，其中第一端形成使进料气体进入结构化催化剂的入口，并且其中第二端形成使产物气体离开结构化催化剂的出口。
陶瓷元件可以是基本上由陶瓷材料形成的元件。
结构化催化剂还包括第一导电加热元件，该第一导电加热元件被固定至陶瓷元件。第一导电加热元件可以包括金属材料，该金属材料是合金，该合金包括选自Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn、Si、Y和C的一种或多种物质。第一导电加热元件被配置为通过电阻加热进行加热。
在本公开的上下文中，陶瓷元件是独立元件，即不是涂层。此外，陶瓷元件不是随机装填的颗粒。陶瓷元件可以是自支撑元件，其可以另外为固定至其上的导电加热元件提供支撑。在本公开的上下文中，术语“固定”应当被理解为导电加热元件以非粘合方式附接到陶瓷元件，例如通过机械/物理力或通过接合。
结构化催化剂可以被配置为引导电流从结构化催化剂的第一端流经导电加热元件至第二端。
陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料。催化活性材料可以包含0.1％至30％的催化活性金属。在一个实施方案中，催化活性材料可以包含尺寸为约5nm至约250nm的催化活性颗粒。
本公开提供了一种结构化催化剂，其中陶瓷元件或第一导电加热元件被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件和第一导电加热元件中的另一个。换言之，陶瓷元件和第一导电加热元件中的一个被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件和第一导电加热元件中的另一个。因此，陶瓷元件可以被布置为至少部分地周向围绕第一导电加热元件。或者，第一导电加热元件可以被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件。
陶瓷元件可以形成细长形状并且可以包括沿纵向方向布置的空腔，由此陶瓷元件可以形成中空结构。第一导电加热元件的至少一部分可以被布置在空腔中，以提供被布置为至少部分地周向围绕第一导电元件的陶瓷元件。
在一个替代实施方案中，陶瓷元件形成细长结构，其中第一导电加热元件被布置为周向围绕细长结构，例如通过将第一导电加热元件缠绕在细长陶瓷元件周围。应当理解，即使第一元件被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件，陶瓷元件也可以形成细长的中空结构。
催化活性材料和第一导电加热元件之间的紧密接近使得能够通过来自电阻加热的第一导电加热元件的固体材料热传导来有效地加热催化活性材料。因此，电阻加热过程的一个重要特征是，能量是在物体本身内部提供的，而不是通过热传导、对流和/或辐射从外部热源提供。此外，包含结构化催化剂的反应器系统的最热部分将位于反应器系统的耐压壳内。优选地，电源和结构化催化剂的尺寸被设计成使得结构化催化剂的至少一部分达到850℃、优选900℃、更优选1000℃、更优选1100℃或甚至更优选1300℃的温度。催化活性材料的量和组成可以根据给定操作条件下的吸热反应进行调整。
用于第一导电加热元件的导电材料有利地是连贯的或一致内部连接的材料，以便实现整个导电材料的导电性，并由此实现整个结构化催化剂的导热性，并且特别是提供催化材料的加热。通过连贯的或一致内部连接的材料，可以确保电流在导电材料内的均匀分布，并因此确保热量在结构化催化剂内的均匀分布。在本文中，术语“连贯的(coherent)”与内聚(cohesive)同义，因此指的是一致内部连接或一致耦合的材料。结构化催化剂作为连贯的或一致内部连接的材料的效果是获得对结构化催化剂的材料内的连接性的控制，并因此获得对导电材料的电导率的控制。应当注意的是，即使对导电材料进行进一步的修改，例如在导电材料的部件内提供切口空间，导电材料仍然被表示为连贯的或一致的内部连接的材料。
陶瓷元件的至少一部分可以是多孔的，从而允许将催化活性材料支撑在陶瓷元件之上和内部。
陶瓷元件可以形成为一件。在一个替代实施方案中，陶瓷元件可以包括被布置成一行从而形成陶瓷元件的多个陶瓷部件。陶瓷部件可以包括匹配的接合结构，由此两个相邻的陶瓷部件可以通过这些接合结构彼此附接。作为一个示例，匹配的接合结构可以由陶瓷部件的一端处的突出部和相对的另一端处的匹配凹口形成，从而一个陶瓷部件的突出部可以接合相邻陶瓷部件的凹口。
在一个替代实施方案中，陶瓷部件可以彼此不附接。在该实施方案中，形成陶瓷元件的陶瓷部件可以通过将第一导电加热元件固定到陶瓷元件而保持在一起成为一行，例如通过使用中空的陶瓷部件并将陶瓷部件在第一导电加热元件上布置成一行，其中第一导电加热元件被布置在由布置成一行的中空陶瓷部件形成的空腔中。
作为一个示例，陶瓷部件可以是形成陶瓷元件的圆柱形部件，其纵向高度为100-5000mm，优选为500-3000mm，圆柱形部件被布置为从第一端至第二端周向围绕所述第一导电元件。在一个实施方案中，所述圆柱形陶瓷部件可以作为在纵向方向上具有大约10-500mm的高度的单独节段(部件)彼此叠置。
第一导电加热元件可以至少部分地支撑多孔陶瓷涂层。术语“支撑陶瓷涂层”旨在表示第一导电加热元件在该元件表面的至少一部分处被陶瓷涂层涂覆。因此，该术语并不意味着第一导电加热元件的所有表面都被陶瓷涂层所涂覆；特别地，至少第一导电加热元件的被配置为电连接到导体的部分在其上不具有涂层。涂层可以是结构中具有孔的陶瓷材料，其允许在涂层之上和内部支撑催化活性材料。陶瓷涂层是电绝缘材料并且通常会具有约100μm、例如10-500μm的厚度。
在一个实施方案中，陶瓷涂层的至少一部分可以支撑催化活性材料。有利地，催化活性材料包含尺寸为约5nm至约250nm的催化活性颗粒。通过在第一导电加热元件的至少一部分上另外添加催化活性材料，可以增加结构化催化剂的催化活性材料的总量。
结构化催化剂还可以包括沿纵向方向从第一端延伸至第二端的第二导电加热元件，其中第二导电加热元件在第二端处连接至第一导电加热元件。第二导电加热元件可以包括金属材料，该金属材料是合金，该合金包括选自Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn、Si、Y和C的一种或多种物质，并且可以被配置为通过电阻加热进行加热。
第二导电加热元件可以至少部分地支撑多孔陶瓷涂层。术语“支撑陶瓷涂层”旨在表示第二导电加热元件在元件表面的至少一部分处被陶瓷涂层涂覆。
在一个实施方案中，第二导电加热元件的陶瓷涂层的至少一部分可以支撑催化活性材料。有利地，催化活性材料包含尺寸为约5nm至约250nm的催化活性颗粒。通过在第二导电加热元件的至少一部分上另外添加催化活性材料，可以进一步增加结构化催化剂的催化活性材料的总量。
结构化催化剂可以被配置为引导电流从第一端流经第一导电加热元件到所述第二端，然后通过在第二端电连接第一和第二导电加热元件，引导电流从第二端流经第二导电加热元件到第一端。
在一个实施方案中，陶瓷元件可以被布置为至少部分地周向围绕第一导电加热元件，第二导电加热元件可以被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件。然而，应当理解，陶瓷元件可以被布置为至少部分地周向围绕第一导电加热元件和第二导电加热元件二者。
在一个替代实施方案中，第一导电加热元件可以被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件，第二导电加热元件可以被布置在中空的陶瓷元件的空腔中。然而，应当理解，第一导电加热元件和第二导电加热元件二者都可以被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件。
因此，第二导电加热元件可以沿着陶瓷元件的外表面布置。
第一导电加热元件可以形成细长管，其被布置为周向围绕陶瓷元件。应当理解，管可以是具有开口的管，即，管不一定形成封闭空间。
作为一个示例，第一导电加热元件可以包括金属丝，该金属丝在陶瓷元件周围形成螺旋图案，从而形成开口管。在一个替代实施方案中，第一导电加热元件可以包括被布置在陶瓷元件中的空腔内的形成螺旋图案的金属丝。
螺旋图案的缠绕密度可以至少沿着纵向方向的一部分是均匀的。或者，螺旋图案的缠绕密度可以至少沿着纵向方向的一部分是不均匀的。在一个实施方案中，密度可以变化，例如通过在结构化催化剂的上部提供均匀的密度，并在结构化催化剂的下部提供不均匀的缠绕密度，其中上部是催化剂更靠近第一端而不是第二端的部分。
在一个实施方案中，结构化催化剂可以包含陶瓷元件，其中陶瓷元件的外表面包含多个凹槽。凹槽可以沿着外表面均匀地布置。或者，凹槽可以不均匀地布置。
凹槽在沿着纵向方向的横截面中可以具有锯齿状形式。或者，凹槽在沿着纵向方向的横截面中可以是拱形的或者可以形成其他形状。拱形凹槽可以设置有不同的半径，例如取决于第一和/或第二导电加热元件的直径和/或陶瓷元件的尺寸。
凹槽可以沿着外表面形成螺旋图案。在一个实施方案中，第一导电加热元件可以至少部分地被布置在形成螺旋图案的凹槽中。在一个替代实施方案中，第二导电加热元件可以至少部分地被布置在形成螺旋图案的凹槽中。应当理解，凹槽可以沿着外表面形成两个螺旋图案。第一螺旋图案和第二螺旋图案均可从第一端延伸至第二端，其中第一螺旋图案可相对于第二螺旋图案具有位移。
为了促进电流流过结构化催化剂，结构化催化剂还可以包括至少第一和第二导体，其中第一导体电连接到第一导电加热元件和电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流经过所述电元件而将所述第一导电加热元件的至少一部分加热到至少500℃的温度，第一导体在更靠近所述第一端而不是所述第二端的位置处连接至第一导电加热元件。
在一个实施方案中，第二导体可以在第一导电加热元件上在更靠近所述第二端而不是所述第一端的位置处连接到第一导电加热元件，其中结构化催化剂被配置为引导电流从第一导体通过第一导电加热元件流至所述第二端。
在一个替代实施方案中，第二导体可以在第二导电加热元件上在更靠近所述第一端而不是所述第二端的位置处连接到第二导电加热元件，其中结构化催化剂可以被配置为引导电流从第一导体通过第一导电加热元件流至所述第二端，然后通过第二导电加热元件流至第二导体。
优选地，在包括第一和第二导电加热元件的实施方案中，第一和第二导体连接至结构化催化剂的第一端或在导电加热元件的长度的四分之一内，该四分之一位于最靠近第一端的位置。
为了便于第一和第二导体的附接，第一和/或第二导电加热元件可以各自包括附接部分，以分别允许第一和第二导体的附接。
本文提供了一种用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统，所述反应器系统包括：
a)本文所述的结构化催化剂；
b)容纳所述结构化催化剂的耐压壳，所述耐压壳包括用于引入所述进料气体的入口和用于排出产物气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端进入所述结构化催化剂，并且所述产物气体从第二端离开所述催化剂；和
c)所述结构化催化剂和所述耐压壳之间的绝热层。
如上所述的结构化催化剂非常适合于用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统。因此，上述关于结构化催化剂的阐述同样适用于反应器系统。
反应器系统可以包括至少两个导体，其电连接到结构化催化剂以及置于所述耐压壳外部的电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流经过第一和第二导电加热元件而将所述结构化催化剂的至少一部分加热到至少500℃的温度，其中所述至少两个导体在更靠近第一端的位置处连接到第一导电加热元件，并且其中结构化催化剂被构造成引导电流从一个导体基本上经由第一导电加热元件流向第二导电加热元件并返回到所述至少两个导体中的第二个。
术语“导电”意指电阻率在20℃下为10-5至10-8Ω·m的材料。因此，导电的材料例如是金属，如铜、银、铝、铬、铁、镍，或者金属的合金。此外，术语“电绝缘”意在表示在20℃下电阻率高于10Ω·m的材料，例如在20℃下电阻率为109至1025Ω·m。
优选地，导体由与导电加热元件不同的材料制成。导体可以例如由铁、镍、铝、铜、银或其合金制成。
反应器系统的布局允许在入口处将加压的进料气体进料到反应器系统并将该气体引导到反应器系统的耐压壳中。在耐压壳内部，隔热层和惰性材料的构造被布置为引导进料气体通过结构化催化剂，在结构化催化剂中，进料气体将与陶瓷元件和支撑在陶瓷元件上的催化活性材料接触，其中催化活性材料将促进吸热反应。此外，结构化催化剂的加热将为吸热反应提供所需的热量。来自结构化催化剂的产物气体被引导至反应器系统出口。
通常，耐压壳包括用于引入进料气体的入口和用于排出产物气体的出口，其中入口被定位成靠近耐压壳的第一端并且出口被定位成靠近耐压壳的第二端，并且其中至少两个导体均在结构化催化剂上更靠近入口而不是出口的位置处连接至结构化催化剂。因此，至少两个导体可以被放置在反应器系统的基本上较冷的部分中，因为入口气体将具有比产物气体更低的温度，由于加热的进行所消耗的热量，导电材料在材料的最上游部分将更冷，并且通过入口进料的进料气体可以先冷却至少两个导体，然后再进一步沿着经加热的结构化催化剂的气体路径被经加热的结构化催化剂加热。优点是，除了第一和第二导电加热元件之外的其他导电部件的温度被保持较低，以便保护导体和结构化催化剂之间的连接。当导体和除第一、第二导电加热元件之外的其他导电部件的温度较低时，对适用于导体和除第一、第二导电加热元件以外的其他导电部件的材料限制较少。当第一导电加热元件和第二导电加热元件的温度升高时，其电阻率增大；因此，希望避免对加热系统内除导电加热元件之外的所有其他部件进行不必要的加热。术语“除了导电加热元件之外的导电部件”意在覆盖被布置为将电源连接到结构化催化剂的相关导电部件，除了导电的结构化催化剂本身之外。
应当注意，本发明的系统可以包括任何适当数目的电源以及任何适当数目的将一个或多个电源与结构化催化剂的导电加热元件连接的导体。
至少两个导体可以在套管(fitting)中被引导穿过耐压壳，使得该至少两个导体与耐压壳电绝缘。该套管可以部分地由塑料和/或陶瓷材料制成。术语“套管”是指允许以承压配置机械连接两件硬件的装置。由此，即使至少两个导体被引导穿过耐压壳，也可以维持耐压壳内的压力。套管的非限制性示例可以是电绝缘套管、介电套管、动力压缩密封件、压缩套管或法兰。耐压壳通常包括侧壁、端壁、法兰和可能的其他部件。术语“耐压壳”旨在涵盖这些组件中的任何一个。
结构化催化剂和至少两个导体之间的连接可以是机械连接、焊接连接、钎焊连接或其组合。结构化催化剂可以包括物理连接且电连接至结构化催化剂的端子，以便促进第一导电加热元件和第二导电加热元件与至少两个导体之间的电连接。术语“机械连接”旨在表示其中两个部件机械地保持在一起的连接，例如通过螺纹连接或通过夹紧，使得电流可以在部件之间流动。
结构化催化剂上的气流可以与通过结构化催化剂的电流路径为轴向或同轴、垂直于电流路径或相对于电流路径的任何其他适当的方向。
电源的尺寸可以被设计为将所述结构化催化剂的至少一部分加热到至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
当耐压壳包括用于引入进料气体的入口和用于排出产物气体的出口时，其中入口被定位成使得进料气体在结构化催化剂的第一端进入结构化催化剂并且产物气体从结构化催化剂的第二端离开结构化催化剂，并且当至少两个导体都在结构化催化剂上更靠近入口而不是出口的位置处连接到结构化催化剂时，可以将至少两个导体放置在反应器系统中相对较冷的部分中。由于以下原因，结构化催化剂的第一端的温度低于结构化催化剂的第二端的温度：
-被引导通过入口进料的进料气体可以冷却至少两个导体，然后再进一步沿着通过结构化催化剂的气体路径被结构化催化剂加热；
-由于以电方式供应至结构化催化剂的热量，引入结构化催化剂第一端的进料气体将具有比离开结构化催化剂的第二端的产物气体更低的温度，
-反应的吸热性质从其周围环境吸收热量，
-结构化催化剂被构造成引导电流从一个导体基本上流向结构化催化剂的第二端并且返回到至少两个导体中的第二个。
结构化催化剂中的温度分布可以对应于沿着通过结构化催化剂的进料气体路径基本上连续升高的温度。
当本发明的反应器系统用于促进蒸汽重整反应时，其与更传统使用的燃烧管式重整器相比具有多个优点。本发明的反应器系统不需要炉，这显著减小了反应器的总尺寸。此外，优点是与已知的管式蒸汽重整器相比，在单个耐压壳中生产的产物气体的量显著增加。在标准的管式蒸汽重整器中，管式蒸汽重整器的单个管中生产的产物气体量至多为500Nm3/h。相比之下，本发明的反应器系统被布置成在单个耐压壳内产生高达或大于2000Nm3/h，例如甚至高达或大于10000Nm3/h。这可以在进料气中不存在O2且生产的合成气中甲烷含量低于10％的情况下完成。当单个耐压壳容纳用于生产高达10000Nm3/h或更多的产物气体的催化剂时，不再需要提供多个耐压壳或用于将进料气体分配至多个此类单独的耐压壳的装置。
反应器系统的另一个优点是通过反应器系统内的结构化催化剂的流动可以是向上流动的。或者，通过结构化催化剂的流动可以是水平方向或任何其他合适的方向。在反应器含有颗粒的情况下，由于存在流化、研磨和吹出颗粒的风险，这更加困难。由此，可以避免大量的管道，从而降低设备成本。此外，向上流动或水平流动的可能性增加了设备设计的灵活性。
此外，应当注意，术语“至少两个导体在结构化催化剂上在更靠近结构化催化剂的第一端而不是结构化催化剂的第二端的位置处连接到结构化催化剂”意在表示至少两个导体中的两个/全部在更靠近结构化催化剂的第一端而不是第二端的位置处连接。优选地，至少两个导体连接至结构化催化剂的第一端或导电加热元件的长度的最靠近第一端的四分之一内。
在一个实施方案中，反应器系统还包括位于耐压壳内的结构化催化剂上游的催化剂材料(例如催化剂颗粒)的床。这里，术语“上游”是从进料气体的流动方向看的。因此，术语“上游”在此意在表示进料气体在到达结构化催化剂之前被引导通过催化剂材料的床。这种催化剂的床可以通过例如朝向诸如水煤气变换的化学反应的热平衡的绝热反应来进行进料混合物的预处理。另外/或者，催化剂材料的床可以用作防护装置以防止下游的结构化催化剂被诸如硫和/或氯的杂质污染。不需要向催化剂材料的床提供特定的加热；然而，如果催化剂材料的床非常靠近结构化催化剂，则其可以被间接加热。
在一个实施方案中，催化剂材料的床被放置在耐压壳内且位于结构化催化剂的下游。这种催化剂材料可以是催化剂颗粒、挤出物或小球的形式。这提供了一种情况，其中催化剂材料可以被布置用于通过进行相关反应的伪绝热平衡来降低离开结构化催化剂的气体的平衡接近度。
耐压壳可以具有2至30bar的设计压力。实际操作压力将由设备的规模等因素决定。由于加热系统最热的部分是导电材料，导电材料将被隔热层包围并位于加热系统的耐压壳内，因此耐压壳的温度可以被保持为明显低于最高工艺温度。这允许耐压壳具有相对低的设计温度，例如耐压壳为700℃或500℃或优选300℃或100℃，同时结构化催化剂上的最高工艺温度为400℃、或甚至900℃、或甚至1100℃，或甚至高达1400℃。在这些温度较低的情况下，材料强度较高(对应于如上所述的耐压壳的设计温度)。这在设计加热系统时提供了优势。因此，耐压壳可以具有2至30bar、或30至200bar的设计压力。作为工艺经济性和热力学限制之间的折衷，大约30bar是优选的。
导电材料的电阻率可以为10-5Ω·m至10-7Ω·m。当用电源通电时，具有在此范围内的电阻率的材料提供结构化催化剂的有效加热。石墨的电阻率在20℃下约为10-5Ω·m，kanthal的电阻率在20℃下约为10-6Ω·m，而不锈钢的电阻率在20℃下约为10-7Ω·m。导电材料可以例如由电阻率在20℃下约为1.5·10-6Ω·m的FeCr合金制成。
反应器系统还可以包括控制系统，其被布置成控制电源以确保离开耐压壳的产物气体的温度位于预定范围内。
通常，反应器系统的高度可以在0.5至7m之间，更优选在0.5至3m之间。
本文提供了上述结构化催化剂或上述反应器的用途，其中吸热反应选自蒸汽甲烷重整、氰化氢形成、甲醇裂化、氨裂化、逆水煤气变换和脱氢反应。
应当理解，技术人员将容易认识到，与结构化催化剂和用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统结合描述的任何特征都适用于该用途。因此，上述关于结构化催化剂和反应器系统给出的阐述同样适用于其用途。
术语“脱氢反应”意指以下反应：
其中R1和R2可以是烃分子中任何合适的基团，例如-H、-CH3、-CH2或-CH。
在一个实施方案中，吸热反应是烃的脱氢反应。催化活性材料可以是Pt。反应器的最高温度可以在500-700℃之间。进料气体的压力可以是2-5bar。
术语“水煤气变换”是指以下反应：
在一个实施方案中，吸热反应是逆水煤气变换反应(水煤气变换的逆反应)。反应器的最高温度可以在600-1300℃之间。进料气体的压力可以是2-80bar，优选10-40bar。在一个实施方案中，所述第一导电加热元件由Fe Cr Al的合金制成，其可以另外支撑ZrO2和Al2O3混合物的陶瓷涂层，以Mn作为催化活性材料。在另一个实施方案中，所述第一导电加热元件由Fe Cr Al的合金制成，其可以另外支撑ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，以Ni作为催化活性材料。
术语“甲醇裂解”意指以下反应：
通常，甲醇裂化反应伴随着水煤气变换反应。
在一个实施方案中，吸热反应是甲醇的裂化。反应器的最高温度可以在200-300℃之间。进料气体的压力可以是2-30bar，优选约25bar。在一个实施方案中，所述第一导电加热元件由Fe Cr Al的合金制成，其可以另外支撑ZrO2和Al2O3混合物的陶瓷涂层，以CuZn作为催化活性材料。在另一个实施方案中，所述第一导电加热元件由Fe Cr Al的合金制成，其可以另外支撑ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，以Ni作为催化活性材料。
此外，术语“蒸汽重整”意指根据以下一种或多种反应的重整反应：
这些反应通常也伴随着水煤气变换反应。
在一个实施方案中，吸热反应是烃的蒸汽重整。反应器的最高温度可以在850-1300℃之间。进料气体的压力可以是5-180bar，优选约25bar。催化活性材料可以是Ni、Ru、Rh、Ir或其组合，而陶瓷涂层可以是Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、CaAl2O4或它们的组合并且可能与诸如Y、Ti、La或Ce的氧化物混合。在一个实施方案中，所述第一导电加热元件由Fe Cr Al的合金制成，其可以支撑ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，以镍作为催化活性材料。
术语“氨裂化”意指以下反应：
在一个实施方案中，吸热反应是氨裂化。催化活性材料可以是Fe或Ru。反应器的最高温度可以在400-700℃之间。进料气体的压力可以是2-30bar，优选约25bar。
术语“氰化氢合成”是指以下反应：
在一个实施方案中，吸热反应是氰化氢合成或有机腈的合成过程。催化活性材料可以是Pt、Co或SnCo。反应器的最高温度可以在700-1200℃之间。进料气体的压力可以是2-30bar，优选约5bar。
附图的详细描述
在所有附图中，相似的附图标记表示相似的元件。
图1A和1B示出了根据本发明的反应器系统100的两个不同实施方案的横截面。反应器系统100包括结构化催化剂10。结构化催化剂10包括陶瓷元件2、第一导电加热元件4(参见图1B)和第二导电加热元件6。
在图1B所示的实施方案中，反应器系统100包括排列成阵列的三个结构化催化剂10。每个结构化催化剂10包括陶瓷元件2、第一导电加热元件4和第二导电加热元件6。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端延伸至第二端，其中第一端形成结构化催化剂10的用于进料气体的入口11，并且其中第二端形成用于产物气体的出口12。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性物质。
反应器系统100此外包括导体40、40’，其连接至电源(图中未示出)和结构化催化剂10，即阵列。导体40、40’经由套管50被引导穿过容纳结构化催化剂的耐压壳20的壁并穿过耐压壳内侧上的绝缘材料30。导体40’通过导体接触轨(未示出)连接至宏观结构的阵列5。
在一个实施方案中，电源供应26V的电压和1200A的电流。在另一个实施方案中，电源供应5V的电压和240A的电流。电流被引导通过电导体40、40’至导体接触轨，并且电流从一个导体接触轨(例如从图1A中左侧的导体接触轨)流过结构化催化剂10，经由第一导电加热元件4和第二导电加热元件6至另一导体接触轨(例如图1A中右侧的导体接触轨)。电流可以是交流电，并且例如以两个方向交替运行，或者是直流电并且以两个方向中的任何一个方向运行。
在所示实施方案中，第一导电加热元件4的主要部分被布置在作为中空细长元件的陶瓷元件2中的空腔中。因此，陶瓷元件2被布置为周向围绕第一导电加热元件2，而第二导电加热元件6被布置为周向围绕陶瓷元件2。第一导电加热元件4和第二导电加热元件6在第二端彼此连接。
结构化催化剂10被配置为引导电流从第一端流过第一导电加热元件4到所述第二端，然后通过在第二端处将第一和第二导电加热元件4、6电连接而从第二端流过第二导电加热元件6到第一端。
第一和第二导电加热元件4、6由导电材料制成。特别优选的是由铝、铁和铬组成的合金Kanthal。导体40、40’由诸如铁、铝、镍、铜或其合金的材料制成。
在图1B中的反应器系统100所示的阵列中，结构化催化剂10被配置为引导电流从第一端流过每个第一导电加热元件4到所述第二端，然后通过在第二端处将第一导电加热元件4中的一个电连接到第二导电加热元件6中的一个而从第二端流过每个第二导电加热元件6到第一端。
在图1A和1B所示的反应器系统中，导体40、40’被引导经由套管50穿过容纳结构化催化剂10的耐压壳20的壁并且穿过耐压壳内侧上的绝缘材料30。用于吸热反应的进料气体通过反应器系统100上侧中的入口进入反应器系统100，如箭头11所示，并且产物气体经由反应器系统底部的出口离开反应器系统100，如箭头12所示。此外，一个或多个附加入口(未示出)有利地靠近套管50存在或与套管50组合。这种附加入口允许冷却气体流过、围绕、靠近在耐压壳内的至少一个导体或位于耐压壳内的至少一个导体内，以减少对套管的加热。冷却气体可以是例如氢气、氮气、甲烷或其混合物。冷却气体在进入耐压壳时的温度可以是例如约100℃。
在图1A和1B所示的反应器系统100中，惰性材料(未示出)有利地存在于结构化催化剂10的下侧和耐压壳的底部之间。此外，惰性材料有利地存在于结构化催化剂10的外侧和绝缘材料30之间。因此，绝缘材料30的一侧面向耐压壳20的内侧并且绝缘材料30的另一侧面向惰性材料。惰性材料例如是陶瓷材料并且可以是颗粒的形式。惰性材料有助于控制通过反应器系统100的压降以及控制通过反应器系统100的气体流动，使得气体流过结构化催化剂10的表面。
图2A和2B示出了结构化催化剂10的两个不同的实施方案。结构化催化剂10包括陶瓷元件2、第一导电加热元件4和第二导电加热元件6。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。
陶瓷元件2被布置为周向围绕第一导电加热元件2，其中第一导电加热元件4的主要部分被布置在作为中空细长元件的陶瓷元件2的空腔中。第二导电加热元件6被布置为周向围绕陶瓷元件2。第一和第二导电加热元件4、6在第二端80处彼此连接。第一导电元件4包括棒，而第二导电加热元件6在图2A中包括形成螺旋图案的金属丝，而在图2B中包括形成两个螺旋图案的两个金属丝。
结构化催化剂10被配置为引导电流从第一端70流经第一导电加热元件4至第二端80，然后通过在第二端80处将第一和第二导电加热元件4、6电连接而从第二端80流经第二导电加热元件6至第一端70。箭头示出了100％的电流被引导通过第一导电加热元件4，而50％的电流被引导通过第二导电加热元件6中的每一个。
图3A和3B示出了结构化催化剂10的两个的不同实施方案。结构化催化剂10包括陶瓷元件2、第一导电加热元件4和第二导电加热元件6。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。
陶瓷元件2被布置为周向围绕第一导电加热元件2，并且第二导电加热元件6被布置为周向围绕陶瓷元件2。第一和第二导电加热元件4、6在第二端80彼此连接。第一和第二导电元件4、6均包括金属丝，其中第二导电加热元件6形成螺旋图案。与图3B相比，图3A中的第二导电加热元件6的螺旋图案的缠绕密度更窄。
结构化催化剂10被配置为引导电流从第一端70流经第一导电加热元件4至第二端80，然后通过在第二端80处将第一和第二导电加热元件4、6电连接而从第二端80流经第二导电加热元件6至第一端70。
图4A和4B示出了结构化催化剂10的实施方案的一部分。
图4A示出了在第二端80处彼此连接的第一导电加热元件4和第二导电加热元件6。第一和第二导电加热元件4、6两者都形成螺旋图案，其中缠绕密度基本相同。然而，第一导电加热元件4的螺旋图案的直径小于第二导电加热元件6的螺旋图案的直径。通过将第一导电加热元件4布置在陶瓷元件的空腔中，由此将第二导电加热元件6布置为沿着陶瓷元件的外表面周向围绕陶瓷元件，将线圈套线圈(coil-in-coil)形式的元件4、6配置为固定至基本上管状的陶瓷元件2。
电流可以被引导通过第一导电加热元件4从第一端70到第二端80，然后通过第二导电加热元件6从第二端80到第一端70。
图4B示出了形成两个螺旋图案的第一导电加热元件4，其中缠绕密度基本相同，并且其中螺旋图案的直径基本相同。通过将陶瓷元件2布置在由第一导电加热元件4形成的每个螺旋图案内部，将第一导电加热元件4配置为固定至两个基本上杆状的陶瓷元件2。
电流可以被引导通过第一导电加热元件4从第一端70到达第二端80，然后通过第一导电加热元件4的下一部分从第二端80到达第一端70。
图5A-5F示出了结构化催化剂10的不同实施方案的横截面。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。横截面横向于纵向方向。
第一导电加热元件4被布置为周向围绕陶瓷元件2，陶瓷元件2是中空细长元件。第二导电加热元件6可以被布置在中空陶瓷元件2内部并且可以在第二端80处电连接到第一导电加热元件4。
在每个所示实施方案中，第一导电元件4包括围绕陶瓷元件2的外表面形成螺旋图案的金属丝。
结构化催化剂10被配置成引导电流从第一端70流经第一导电加热元件4到第二端80。如果第二导电元件6连接到第一导电元件4，则随后可以引导电流从第二端80通过第二导电加热元件6至第一端70。
虚线示出了第一导电加热元件4的外边界。
在图5A中，外边界基本上呈正方形形状。螺旋图案沿纵向方向是不规则的。
在图5B中，两条圆形虚线示出了由第一导电加热元件4形成的螺旋图案沿纵向方向具有不同的直径。
在图5C中，第一导电加热元件4形成螺旋图案，该螺旋图案在横截面中形成四个窄瓣。
图5D所示的实施方案类似于图5C的实施方案，不同之处在于第一导电加热元件4形成螺旋图案，该螺旋图案在横截面中形成八个窄瓣。
在图5E中，两条圆形虚线示出了由第一导电加热元件4形成的螺旋图案沿纵向方向具有不同的直径。
在图5F中示出了第一导电加热元件4的另一个替代的横截面形状。
应当理解，第一导电加热元件4的不同横截面形状是非限制性的，因为其他形状也可以适用。
图6A和6B在图的下部示意性地示出了结构化催化剂10的两个不同的实施方案。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。第一导电加热元件4被布置为周向围绕陶瓷元件2。
在两个示出的实施方案中，第一导电元件4均包括围绕陶瓷元件2的外表面形成螺旋图案的金属丝。
在图6A中，第一导电加热元件2的缠绕密度是均匀的并且具有恒定的直径。在图6B中，由第一导电加热元件2形成的螺旋图案的直径是不均匀的。图中上部的虚线示出了第一导电加热元件4的外边界。
图7示意性地示出了结构化催化剂10的四个不同的实施方案。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。第一导电加热元件4被布置为周向围绕陶瓷元件2。
在前两个实施方案中，第一导电加热元件2的缠绕密度是均匀的，其中第一缠绕密度较宽，第二缠绕密度较窄。
在第三和第四实施方案中，第一导电加热元件2的缠绕密度是不均匀的。在第三实施方案中，上部和下部的缠绕密度较宽，而中部的缠绕密度较窄。在第四实施方案中，上部的缠绕密度较宽，而下部的缠绕密度较窄。
图8A示出了结构化催化剂10的实施方案的陶瓷元件2的一部分的放大图。
陶瓷元件的外表面包括多个凹槽15，这些凹槽可以沿着外表面均匀或不均匀地布置。如所示出的，凹槽在沿着纵向方向的横截面中可以具有锯齿状形式(陶瓷元件2的上部)。或者，凹槽在沿着纵向方向的横截面中可以是拱形的。拱形凹槽可以具有不同的半径，如陶瓷元件2的中部和下部所示。
凹槽15可以沿着外表面形成螺旋图案。第一导电加热元件4可以被布置在凹槽15中。
图8B示出了结构化催化剂10的实施方案的细节的放大图。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。第一导电加热元件4被布置为周向围绕陶瓷元件2。
另外，在金属丝状的第一导电加热元件4上布置有多个陶瓷元件17。在所示的实施方案中，陶瓷元件是带孔的颗粒，其可以支撑催化活性材料，从而形成催化剂颗粒17。
图9A和9B示出了结构化催化剂10的两个不同实施方案的不同视图。在两个实施方案中，结构化催化剂10均包括陶瓷元件2、第一导电加热元件4和第二导电加热元件6。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80(未示出)。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未图示)。
陶瓷元件2被布置为周向围绕第一导电加热元件2，并且第二导电加热元件6被布置为周向围绕陶瓷元件2。第一和第二导电加热元件4、6在第二端80彼此连接(未示出)。第一和第二导电元件4、6均包括金属丝，其中第二导电加热元件6形成螺旋图案。
结构化催化剂10被配置为引导电流从第一端70流经第一导电加热元件4至第二端80，然后通过在第二端80处将第一和第二导电加热元件4、6电连接，使电流从第二端80流经第二导电加热元件6至第一端70。
附图的中间部分示出了两个实施方案中的每一个的横向于纵向方向的横截面。陶瓷元件2和第一导电加热元件4之间的开口19确保导电加热元件2的较大面积暴露于气流，同时固定至陶瓷元件2。
附图的下部示出了陶瓷元件2。在图9A所示的实施方案中，陶瓷元件2包括多个横向于纵向方向的凹槽15。凹槽15形成螺旋图案，该螺旋图案中布置有第一导电元件2(参见图9A的上部)。
图10示意性地示出了结构化催化剂10的一个实施方案。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。第一导电加热元件4包括金属丝并且被布置为以螺旋图案周向围绕陶瓷元件2。第一导电加热元件2的缠绕密度沿着陶瓷元件2的长度是均匀的。在结构化催化剂10的下部，第一导电加热元件4包括额外的金属丝，从而在结构化催化剂10的温度最高的位置降低电流密度。这可以降低结构化催化剂10过热的风险，特别是降低第一导电加热元件4过热的风险。
图11示出了结构化催化剂10的一个实施方案的部分。结构化催化剂10包括陶瓷元件2和第一导电加热元件4。
陶瓷元件2沿纵向方向从第一端70延伸至第二端80。陶瓷元件2的至少一部分支撑催化活性材料(未示出)。陶瓷元件2是中空元件并且被布置为周向围绕形成螺旋图案的第一导电加热元件4。在中空陶瓷元件2的内表面上，以螺旋图案设置凹槽15，由此凹槽15稳定第一导电加热元件4。
提供以下编号的项目：
项目1.一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂，所述结构化催化剂包含至少一个陶瓷元件和第一导电加热元件，所述陶瓷元件沿纵向方向从第一端延伸至第二端，其中所述第一端形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂的入口，并且所述第二端形成用于所述产物气体的出口，其中陶瓷元件的至少一部分支撑催化活性材料，其中第一导电加热元件被固定至陶瓷元件，并且其中陶瓷元件和第一导电加热元件中的一个被布置为至少部分地周向围绕陶瓷元件和第一导电加热元件中的另一个。
项目2.根据项目1所述的结构化催化剂，其中陶瓷元件的至少一部分是多孔的。
项目3.根据项目1或2所述的结构化催化剂，其中陶瓷元件包括被布置成一行以形成陶瓷元件的多个陶瓷部件。
项目4.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其中第一导电加热元件至少部分地支撑多孔陶瓷涂层。
项目5.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其还包括沿纵向方向从第一端延伸至第二端的第二导电加热元件，其中所述第二导电加热元件在第二端处连接到第一导电加热元件。
项目6.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其中陶瓷元件形成细长形状并且包括沿纵向方向布置的空腔，并且其中第一导电加热元件的至少一部分被布置在所述空腔中。
项目7.根据项目5和6所述的结构化催化剂，其中第二导电加热元件沿着陶瓷元件的外表面布置。
项目8.根据项目1-5中任一项所述的结构化催化剂，其中第一导电加热元件形成被布置为周向围绕陶瓷元件的细长管。
项目9.根据项目8所述的结构化催化剂，其中第一导电加热元件包括围绕陶瓷元件形成螺旋图案的金属丝。
项目10.根据项目9所述的结构化催化剂，其中螺旋图案的缠绕密度至少沿着纵向方向的一部分是均匀的。
项目11.根据项目9或10所述的结构化催化剂，其中螺旋图案的缠绕密度至少沿着纵向方向的一部分是不均匀的。
项目12.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其中陶瓷元件的外表面包括多个凹槽。
项目13.根据项目12所述的结构化催化剂，其中凹槽沿着外表面形成螺旋图案。
项目14.根据项目13所述的结构化催化剂，其中第一导电加热元件至少部分地被布置在凹槽中。
项目15.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其还包括至少第一和第二导体，其中第一导体电连接至第一导电加热元件并电连接至电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流流过所述第一导电加热元件而将所述第一导电加热元件的至少一部分加热到至少500℃的温度，第一导体在更靠近所述第一端而不是所述第二端的位置处连接至第一导电加热元件。
项目16.根据项目15所述的结构化催化剂，其中第二导体在第一导电加热元件上在更靠近所述第二端而不是所述第一端的位置处连接到第一导电加热元件，所述结构化催化剂被配置为引导电流从第一导体通过第一导电加热元件流到所述第二端。
项目17.根据项目5和15所述的结构化催化剂，其中第二导体在第二导电加热元件上在更靠近所述第一端而不是所述第二端的位置处连接到第二导电加热元件，所述结构化催化剂被配置为引导电流从第一导体通过第一导电加热元件流到所述第二端，然后通过第二导电加热元件流到第二导体。
项目18.根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂，其中第一导电加热元件包含金属材料，所述金属材料是合金，所述合金包含选自Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn、Si、Y和C的一种或多种物质。
项目19.一种用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统，所述反应器系统包括：
a)根据前述项目中任一项所述的结构化催化剂；
b)容纳所述结构化催化剂的耐压壳，所述耐压壳包括用于使所述进料气体进入的入口和用于排出产物气体的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端进入所述结构化催化剂，并且所述产物气体从第二端离开所述催化剂；和
c)所述结构化催化剂和所述耐压壳之间的绝热层。
项目20.根据项目19所述的反应器系统，其中所述电源的尺寸被设计为将所述结构化催化剂的至少一部分加热到至少700℃、优选至少900℃、更优选至少1000℃的温度。
项目21.根据项目19-20中任一项所述的反应器系统，其中耐压壳具有2至30bar的设计压力。
项目22.根据项目19-20中任一项所述的反应器系统，其中耐压壳具有30至200bar的设计压力。
项目23.根据项目19-22中任一项所述的反应器系统，其中导电加热元件的材料的电阻率为10-5Ω·m至10-7Ω·m。
项目24.根据项目19-23中任一项所述的反应器系统，其中至少两个导体在套管中被引导通过压力壳，使得至少两个导体与压力壳电绝缘。
项目25.根据项目19-24中任一项所述的反应器系统，其中结构化催化剂与所述至少两个导体之间的连接是机械连接、焊接连接、钎焊连接或其组合。
项目26.根据项目19-25中任一项所述的反应器系统，其还包括控制系统，所述控制系统被布置成控制电源，以确保离开耐压壳的产物气体的温度位于预定范围内。
项目27.根据项目19-26中任一项所述的反应器系统，其中反应器系统的高度在0.5至7m之间，更优选在0.5至3m之间。
项目28.根据项目1-18中任一项所述的结构化催化剂或根据项目19-27中任一项所述的反应器的用途，其中吸热反应选自蒸汽甲烷重整、氰化氢形成、甲醇裂化、氨裂化、逆水煤气变换和脱氢反应。

Claims (17)

1.一种用于催化进料气体的吸热反应以将其转化为产物气体的结构化催化剂(10)，所述结构化催化剂(10)包括至少一个陶瓷元件(2)和第一导电加热元件(4)，所述陶瓷元件(2)沿纵向方向从第一端延伸至第二端，其中所述第一端(70)形成用于使所述进料气体进入所述结构化催化剂(10)的入口(11)，并且所述第二端(80)形成用于所述产物气体的出口(12)，其中陶瓷元件(2)的至少一部分负载催化活性材料，其中所述第一导电加热元件(4)被固定至所述陶瓷元件(2)，并且其中所述陶瓷元件(2)和所述第一导电加热元件(4)中的一个被布置成至少部分地周向围绕所述陶瓷元件(2)和所述第一导电加热元件(4)中的另一个。
2.根据权利要求1所述的结构化催化剂(10)，其中所述陶瓷元件(2)的至少一部分是多孔的。
3.根据权利要求1或2所述的结构化催化剂(10)，其中所述陶瓷元件(2)包括被布置成一行以形成所述陶瓷元件(2)的多个陶瓷部件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其中所述第一导电加热元件(4)至少部分地支撑多孔陶瓷涂层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其还包括沿纵向方向从所述第一端(70)延伸至所述第二端(80)的第二导电加热元件(6)，其中所述第二导电加热元件(6)在第二端处连接到所述第一导电加热元件(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其中所述陶瓷元件(2)形成细长形状并且包括沿纵向方向布置的空腔，并且其中所述第一导电加热元件(4)的至少一部分被布置在所述空腔内。
7.根据权利要求5和6所述的结构化催化剂(10)，其中所述第二导电加热元件(6)沿着所述陶瓷元件(2)的外表面布置。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的结构化催化剂(10)，其中所述第一导电加热元件(4)形成被布置为周向围绕所述陶瓷元件(2)的细长管。
9.根据权利要求8所述的结构化催化剂(10)，其中所述第一导电加热元件(4)包括围绕所述陶瓷元件(2)形成螺旋图案的金属丝。
10.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其中所述陶瓷元件(2)的外表面包括多个凹槽(15)。
11.根据权利要求10所述的结构化催化剂(10)，其中所述第一导电加热元件(4)至少部分地被布置在所述凹槽(15)中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其还包括至少第一和第二导体(40、40’)，其中所述第一导体(40、40’)电连接至所述第一导电加热元件(4)并电连接到电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流流过所述导电加热元件(4)而将所述第一导电加热元件(4)的至少一部分加热到至少500℃的温度，第一导体(40、40’)在更靠近所述第一端(70)而不是所述第二端(80)的位置处连接至第一导电加热元件(4)。
13.根据权利要求12所述的结构化催化剂(10)，其中所述第二导体(40、40’)在第一导电加热元件(4)上更靠近所述第二端(80)而不是所述第一端(70)的位置处连接到所述第一导电加热元件(4)，所述结构化催化剂(10)被配置成引导电流从第一导体(40、40’)通过第一导电加热元件(4)流到所述第二端。
14.根据权利要求5和13所述的结构化催化剂(10)，其中所述第二导体(40、40’)在第二导电加热元件(6)上更靠近所述第一端(70)而不是所述第二端(80)的位置处连接至所述第二导电加热元件(6)，所述结构化催化剂(10)被配置为引导电流从第一导体(40、40’)通过第一导电加热元件(4)流到所述第二端，然后通过第二导电加热元件(6)流到第二导体(40、40’)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)，其中所述第一导电加热元件(4)包含金属材料，所述金属材料是合金，所述合金包含选自Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn、Si、Y和C的一种或多种物质。
16.一种用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统(100)，所述反应器系统包括：
a)根据前述权利要求中任一项所述的结构化催化剂(10)；
b)容纳所述结构化催化剂(10)的耐压壳(20)，所述耐压壳(20)包括用于使所述进料气体进入的入口(11)和用于排出产物气体的出口(12)，其中所述入口(11)被定位成使得所述进料气体在第一端(70)进入所述结构化催化剂(10)并且所述产物气体从第二端(80)离开所述催化剂(10)；和
c)所述结构化催化剂(10)和所述耐压壳之间的绝热层(30)。
17.根据权利要求1-15中任一项所述的结构化催化剂(10)或根据权利要求16所述的反应器的用途，其中所述吸热反应选自蒸汽甲烷重整、氰化氢形成、甲醇裂化、氨裂化、逆水煤气变换和脱氢反应。
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