CN117643174A - 用于加热气体的结构体 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于加热系统的结构体，该加热系统用于进行加压后的进料气体的加热，其中通过借助于电力的电阻加热来提供热量。

Description

用于加热气体的结构体
技术领域
提供了一种用于加热系统的结构体(structured body，结构化体)，该加热系统用于进行加压后的进料气体(feed gas)的加热，其中热量通过电阻加热提供。
背景技术
典型地，气体热交换器在设计温度方面受到限制，因为它们也是压力承载设备，其通常限制这些设备的最大操作温度。热交换的经典配置是管和壳体型，其中在管侧上流动的一气体与壳体侧上的另一气体进行热交换，从而加热第一气体并冷却第二气体，反之亦然。希望开发一种加热系统(特别是气体预热器)，其允许将气体系统加热到非常高的温度。还期望开发紧凑且操作简单的加热系统。本技术的另一个优点是，特别地如果在加热系统中使用的能源来自能再生的能源资源，二氧化碳和对气候有害的其它排放的总体排放可以显著减少。
在化学工艺设计的许多方面中需要气体的预热。气体预热器的示例包括对用于催化剂床活化的还原气体进行预热。气体预热器的另一个应用是通往绝热POst转化器(APOC)的CO2预热器的示例。APOC反应器在WO2019/110267中被描述。在这两种情况下，能够期望具有非常高的气体预热温度以使下游的单元相互作用能够运行。
发明内容
因此，本技术提供一种被布置成用于加热进料气体的结构体，所述结构体包括第一宏观结构和第二宏观结构，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部延伸到第二端部，其中所述第一端部形成通向所述第一宏观结构和所述第二宏观结构的用于所述进料气体的入口，并且所述第二端部形成用于加热后的气体的出口，所述第一宏观结构和所述第二宏观结构包括三维网状结构，其中网状结构形成允许所述进料气体从所述第一端部流动到所述第二端部的流动路径，网状结构由导电的金属材料形成，其中第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置，并且其中第一宏观结构和第二宏观结构在第二端部处电连接。
另外，本技术提供了一种用于进料气体加热的加热系统，所述加热系统包括：
a)如本文所述的结构体；
b)容纳所述结构体的压力壳体，所述压力壳体包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使加热后的气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部进入所述结构体并且所述加热后的气体从第二端部离开所述本体；以及
c)在所述结构体和所述压力壳体之间的隔热层。
另外，本技术提供用于在如本文所述的加热系统中加热进料气体的工艺；所述工艺包括以下步骤：
-对所述进料气体进行加压，
-将所述加压后的进料气体供应至加热系统，
-经由电导体供应电力，电导体将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体，从而允许电流流经所述导电材料，从而加热结构体的至少一部分，
-在结构体上方加热进料气体；以及
-从加热系统排出加热后的气体。
在从属权利要求、附图和以下描述文本中阐述了本技术的附加方面。
附图说明
图1a示出了通过本发明的具有结构体的加热系统的实施例的横截面，在横截面中结构体包括结构本体。
图1b示出了图1a的加热系统，其中压力壳体和隔热层的一部分被移除。
图2示出了加热系统的一部分的放大图。
图3示出了结构体的实施例。
图4示出了通过图3所示的结构体的实施例的横截面。
图5示出了结构体的实施例。
图6示出了结构体的实施例。
图7示出了结构体的实施例。
图8示出了结构体的实施例。
具体实施方式
具体实施例
本技术描述了一种用于在电加热系统中使用的结构体，以使所需要的方法在紧凑设计中加热气体的任务更容易。
当需要时，使用结构体的紧凑型电加热系统能够容易地操作并且使用简单的启动原理。这提供了相对便宜的设施(plant)。
通过至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置第二宏观结构，第一宏观结构和第二宏观结构之间的连接处的电流密度可以显著减小。另外，可以减少绕过(bypassing，分路)的风险。
因此，提供了一种被布置成用于加热进料气体的结构体，所述结构体包括第一宏观结构和第二宏观结构，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部延伸到第二端部，其中所述第一端部形成通向所述第一宏观结构和所述第二宏观结构的用于所述进料气体的入口，并且所述第二端部形成用于加热后的气体的出口，所述第一宏观结构和所述第二宏观结构包括三维网状结构，其中网状结构形成流动路径，流动路径允许进料气体从所述第一端部流动到所述第二端部，网状结构由导电的金属材料形成，其中第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置，并且其中第一宏观结构和第二宏观结构在第二端部处电连接。
如本文所使用的，术语“宏观结构”旨在表示足够大以在没有放大装置的情况下用肉眼可见的结构。宏观结构的尺寸通常在厘米或甚至米的范围内。宏观结构的尺寸有利地至少部分地对应于压力壳体的内部尺寸，在该压力壳体中可以布置结构体，为隔热层和导体节省空间。
第一宏观结构和第二宏观结构都包括三维网状结构。因此，第一宏观结构和第二宏观结构形成为在结构中具有一个或多个开口的三维结构。例如，这些开口可以是用于气体的流动通道、填充有不同于第一宏观结构和第二宏观结构的剩余部分的另一材料的切口、未填充有材料的切口或其它开口。开口的尺寸和/或形状和/或位置可以例如沿着纵向方向和/或沿着横向于纵向方向的方向变化。
网状结构由导电的金属材料形成，诸如合金，该合金包括一种或多种选自由Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn和Si组成的组的物质。
用于网状结构的导电材料有利地是连贯的(coherent)或一致地内部连接的材料，以便在整个导电材料中实现导电性，从而在整个结构体中实现导热性，特别是当结构体包括催化剂材料时提供催化剂材料的加热。通过连贯的或一致地内部连接的材料，可以确保电流在导电材料内的均匀分布，并且因此确保在结构体内热量的均匀分布。在这整个文本中，术语“连贯的”意在与内聚的(cohesive，聚合的)同义，并且因此指一致地内部连接的或一致地联接的材料。结构体是连贯的或一致地内部连接的材料的效果是对结构体的材料内的连通性(connectivity，联结度)的控制并且因此获得导电材料的导电性。应注意，即使执行导电材料的进一步修改，诸如在导电材料的部分内提供切口空间，导电材料仍表示为连贯的或一致地内部连接的材料。
第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置。在一个实施例中，第二宏观结构可以是在纵向方向上延伸并且是中空的细长结构，从而完全包围第一宏观结构，由此第二宏观结构的内表面面向第一宏观结构的外表面。在可选的实施例中，第二宏观结构可以围绕第一宏观结构部分周向地布置，由此第二宏观结构的内表面的一部分面向第一宏观结构的外表面的一部分。
所述结构体可以被配置为引导电流从第一端部流经所述第一宏观结构到达所述第二端部，然后通过在第二端部处电连接第一宏观结构和第二宏观结构从第二端部流经第二宏观结构到达第一端部。
第一宏观结构和第二宏观结构可以形成为一个件，由此电连接处(electricalconnection)可以是该单个元件的一部分；即，电连接处可以是过渡部分，该过渡部分也形成单件的一部分。
在可选的实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构被形成为在第二端部处彼此附接的两个单独的元件，从而提供第一宏观结构和第二宏观结构之间的电连接处。
在另一替代方案中，结构体可以包括桥接元件(bridge element，桥元件，电桥元件)，桥接元件可以布置在第一宏观结构和第二宏观结构之间，从而在第一宏观结构和第二宏观结构之间提供电连接。
网状结构可以至少部分地支持(support，支撑)陶瓷涂层。术语“支持陶瓷涂层”意在表示网状结构在网状结构的表面的至少一部分处由陶瓷涂层涂覆。因此，该术语并不暗示网状结构的所有表面都被陶瓷涂层涂覆；特别地，至少宏观结构的被配置成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(pore)的陶瓷材料，其允许在涂层上和涂层内支持催化活性材料。陶瓷涂层是电绝缘材料，并且通常具有在约100μm的范围内的厚度，诸如在10μm-500μm的范围内。
在一个实施例中，陶瓷涂层的至少一部分可以支持催化活性材料。有利地，催化活性材料包括催化活性颗粒，该催化活性颗粒具有在从约5nm至约250nm范围内的尺寸。
宏观结构化可以通过3D打印来生产。宏观结构的制造还可以包括3D打印的元件的烧结。可以在氧化气氛中第二次烧结之前将可以含有催化活性材料的陶瓷涂层设置到宏观结构上，以便在陶瓷涂层和宏观结构之间形成化学键。或者，催化活性材料可以在第二烧结之后浸渍到陶瓷涂层上。当在陶瓷涂层和宏观结构之间形成化学键时，可以实现电加热的宏观结构和由陶瓷涂层支持的催化活性材料之间的高导热率，从而在热源和结构化催化剂的催化活性材料之间提供紧密且几乎直接的接触。由于热源和催化活性材料之间的紧密接近，热传递是有效的，使得结构化催化剂能够被非常有效地加热。因此，就每个反应器系统体积的气体处理方面而言的紧凑反应器系统是可能的，因此容纳结构化催化剂的反应器系统可以是紧凑的。
如本文所用，术语“3D打印”和“3D打印的”旨在表示金属增材制造工艺。这样的金属增材制造工艺覆盖3D打印工艺，在3D打印工艺中，材料被接合到计算机控制下的结构以创建三维物体，其中该结构(例如通过烧结)被固化以提供宏观结构。此外，这种金属增材制造工艺覆盖不需要随后烧结(诸如粉末床熔合或直接能量沉积工艺)的3D打印工艺。这种粉末床熔合或直接能量沉积工艺的示例是激光束、电子束或等离子体3D打印工艺。
因此，第一宏观结构和第二宏观结构中的至少一个可以通过3D打印来生产。在一个实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构可以通过3D打印生产为单个件。
网状结构的至少一部分可以形成多个平行的流动通道。然而，应当理解，至少一些通道可以是非平行的。因此，网状结构可以具有多个平行的通道、多个非平行的通道和/或多个迷宫式通道，其中通道具有限定通道的壁。因此，能够使用几种不同形式的网状结构将结构体的大表面积暴露于气体。在优选的实施例中，网状结构具有平行的本体，因为这样的平行的通道呈现具有非常小的压降的结构化催化剂。在优选的实施例中，平行的纵向通道在宏观结构的纵向方向上偏斜(skew)。以这种方式，流过宏观结构的气体的分子将主要倾向于撞击通道内的壁，而不是仅直接流过通道而不与壁接触。通道的尺寸应适于提供具有足够电阻率的宏观结构。例如，通道可以是二次的(如在垂直于通道的横截面中看到的)，并且具有在1mm与3mm之间的正方形的边长；然而，能够想到在至多约4cm的横截面中具有最大程度(extent)的通道。壁可以例如具有在0.2mm和2mm之间(诸如约0.5mm)的厚度，并且由壁支持的陶瓷涂层可以具有在10μm和500μm之间(诸如在50μm和200μm之间，诸如100μm)的厚度。
第一宏观结构和第二宏观结构中的至少一个可以包括形成内部空间的周向壁，周向壁由导电的金属材料形成，并且其中网状被布置在内部空间中。在实施例中，网状结构可以形成多个内壁，这些内壁可以被布置在由周向壁形成的内部空间中。多个内壁可以形成从第一端部到第二端部的多个流动通道。
第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置。第二宏观结构可以围绕第一宏观结构的外表面的至少50％，诸如至少60％，诸如至少70％，诸如至少80％，诸如至少90％，诸如100％周向地布置。
当第二宏观结构围绕第一宏观结构的外表面的50％周向地布置时，第一宏观结构的外表面的一半面向第二宏观结构，而此时第一宏观结构的外表面的其它50％不面向第二宏观结构。
为了便于至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置第二宏观结构，第一宏观结构的外表面可以匹配第二宏观结构的内表面。应当理解，形状可以匹配，而尺寸可以不同，以确保第一宏观结构和第二宏观结构被布置为沿着其纵向方向彼此不接触。第一宏观结构和第二宏观结构在第二端部处电连接以允许电流流过第一宏观结构和第二宏观结构。
通过提供具有与第二宏观结构的内表面匹配的外表面的第一宏观结构，能够最小化第一宏观结构和第二宏观结构之间的距离。
在一个实施例中，第一宏观结构的外表面在横向于纵向方向的横截面中可以是基本上圆形的。第二宏观结构的至少一部分外表面在横向于纵向方向的横截面中同样可以是基本上圆形的。在可选的实施例中，第一宏观结构的外表面在横向于纵向方向的横截面中可以是基本上椭圆形的、正方形的、三角形的、五边形的、六边形的，其它形式是另一多边形的形状。因此，外表面可以是任何任意形状。第二宏观结构的内表面的至少一端口可以类似地形成任何所提及的形状，或这种形状的一节段。在第二宏观结构部分地围绕第一宏观结构周向地布置的实施例中，后者特别相关。
第一宏观结构和第二宏观结构可以基本上同轴布置。
在本发明的特定实施例中，结构体还包括一个或多个附加宏观结构，其中每个附加宏观结构至少部分地围绕宏观结构周向地布置，该宏观结构被布置成在其内侧上最接近附加宏观结构。优选地，相邻宏观结构可以在第一端部和第二端部处交替地电连接。在特定的实施例中，结构化实施例包括偶数(even number)的附加宏观结构。在特定的实施例中，结构化实施例包括奇数(uneven number)的附加宏观结构。在奇数的附加宏观结构的情况下，结构体可以包括导电材料的导电壁，该导电壁至少部分地围绕最外的附加宏观结构周向地布置，其中导电壁和最外的附加宏观结构在第二端部处电连接。所述导电壁的功能是将电流从第二端部传导到结构体的第一端部，以便允许第二导体使电流远离待连接的结构体传递到结构体的第一端部而不是第二端部，见下面以更详细地解释第一导体和第二导体。这是优选的，因为第一端部通常运行在比结构体的第二端部更低的温度下，因此导体和宏观结构之间的连接的击穿风险降低。
在特定实施例中，结构体包括第一附加宏观结构，其中第一附加宏观结构至少部分地围绕第二宏观结构周向地布置，并且其中第二附加宏观结构和第一附加宏观结构在第一端部处电连接。在这种情况下，结构体可以被配置为引导电流从第一端部流经第一宏观结构到达第二端部，然后从第二端部流经第二宏观结构到达第一端部，并且随后从第一端部流经第一附加宏观结构到达第二端部。
第一宏观结构、第二宏观结构和附加宏观结构可以基本上同轴地布置。应当理解，以上关于第一宏观结构和第二宏观结构的相对形状和尺寸的评论(remark)同样适用于第二宏观结构和附加宏观结构。
还应当理解，结构体可以包括甚至更多个(诸如四个、五个或甚至更多个)宏观结构。
为了便于电流流过结构体，结构体还至少可以包括第一导体和第二导体，第一导体和第二导体分别电连接至所述第一宏观结构和所述第二宏观结构，并且电连接至电源，其中，所述电源的尺寸可以被设计为通过使电流通过所述宏观结构而将所述第一宏观结构和所述第二宏观结构的至少一部分加热至至少500℃的温度，导体被连接在第一宏观结构和第二宏观结构上的相比所述第二端部更靠近所述第一端部的位置处，结构体被配置为引导电流从第一导体流经第一宏观结构到达所述第二端部，然后流经第二宏观结构到达第二导体。
优选地，第一导体和第二导体连接到结构体的第一端部或宏观结构的长度的四分之一内，该四分之一被定位为最接近第一端部。
为了便于第一导体和第二导体的附接，第一宏观结构和第二宏观结构可以各自包括附接区段以分别允许第一导体和第二导体的附接。附接区段可以与第一宏观结构和第二宏观结构一体地3D打印。
第一宏观结构和第二宏观结构中的至少一个可以包括网状结构，该网状结构包括多个切口。切口可以被填充有切口材料，该切口材料具有比金属材料的电导率更低的电导率。切口可以形成为可以用于形成(一个或多个)网状结构的3D打印工艺的一部分。
在一个实施例中，切口材料可以是空隙(void)。即，切口可以是空的，从而提供开口，当从第一端部流向第二端部时，气体可以通过该开口。这些切口可以增加通过宏观结构的气体的混合。
在可选的实施例中，切口材料是固体切口材料。因此，可以关闭切口，由此可以防止通过这些切口从第一端部流向第二端部的气体的混合。网状结构可以包括填充有不同材料的切口，由此第一切口可以填充有第一切口材料，而第二切口可以填充有第二切口材料。在实施例中，固体切口材料至少部分地支持具有类似于金属材料上的催化活性材料的陶瓷涂层。在该实施例中，与材料的电阻的控制并行地实现增加的催化活性。
固体切口材料可以具有基本上等于形成网状结构的金属材料的热机械性能的热机械性能。热机械性能可以是热膨胀系数，从而在催化剂的使用期间实现布置在切口中的网状结构和固体切口材料的基本相等的膨胀。可选地或附加地，热机械性能可以是拉伸强度。
在一个实施例中，网状结构可以包括一个或多个切口，该一个或多个切口是空隙和填充有固体切口材料的一个或多个切口。因此，网状结构可以包括是空隙的第一切口子组，并且可以包括用固体切口材料填充的第二切口子组。应当理解，子组可以仅包括单个切口。还应当理解，第二子组的切口可以填充有不同的材料，使得第一切口填充有第一切口材料，而第二切口填充有第二切口材料。
切口可以具有多个形状。作为示例，切口中的至少一个具有选自由以下各项组成的组的形状：球体、圆盘、椭圆体、液滴(droplet)、螺旋和多面体(诸如长方体(box)、金字塔形(pyramid)、菱形(diamond)和斜方形(rhombus))。
在一个实施例中，所有切口具有相同的形状，而在其它实施例中的切口中的至少一些切口为不同的形状。作为示例，网状结构可以包括为圆盘形状的第一组切口和具有球体形状的第二组切口。因此，网状结构可以包括切口，其中至少两个切口具有不同的形式和/或形状。
宏观结构可以包括流动导向件，以确保从第一端部处的入口流向第二端部处的出口的气体的流动分布。这些流动导向件可以3D打印为具有宏观结构的一个件。流动导向件可以形成网状结构的一部分，并且可以被3D打印为网状结构的一部分。
在一个实施例中，流动导向件可以沿着宏观结构的纵向方向均匀地分布，而在另一个实施例中，流动导向件可以不均匀地分布。还应当理解，在一个实施例中，流动导向件可以沿着纵向方向的一部分布置，并且在可选的实施例中，流动导向件可以沿着宏观结构的全长在纵向方向上布置。
流动导向件可以附加地用作电端子，其可以最小化接触电阻并由此提供更均匀的电流分布。
提供了一种用于进料气体加热的加热系统；所述加热系统包括：
a)至少一个如本文所述的结构体；
b)容纳所述结构体的压力壳体，所述压力壳体包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使加热后的气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部进入所述结构体并且所述加热后的气体从第二端部离开所述本体；以及
c)在所述结构体和所述压力壳体之间的隔热层。
加热系统的布局允许在入口处将加压后的进料气体供给到加热系统，并将该气体引导到加热系统的压力壳体中。在压力壳体内部，布置隔热层和惰性材料的配置以引导进料气体通过结构体。将来自加热的结构体的加热后的气体引导至加热系统出口。
应当理解，技术人员将容易认识到，结合结构体描述的任何特征也可以与加热系统组合以加热进料气体，反之亦然。
在一个实施例中，加热系统可以包括单个结构体，该单个结构体包括第一宏观结构和第二宏观结构，其中第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置。在可选的实施例中，加热系统可以包括单个结构体，该单个结构体包括第一宏观结构、第二宏观结构和至少一个附加宏观结构，其中第二宏观结构至少部分地围绕第一宏观结构周向地布置，并且其中至少一个附加宏观结构围绕第二宏观结构至少周向地布置。
在另一可选的实施例中，加热系统可以包括两个或更多个结构体，其可以被连接以便提供结构体的阵列。在结构体的阵列中，结构体可以彼此电连接。结构体可以彼此相邻地定位。
因此，电阻加热工艺的重要特征是能量被供应到物体本身内部，而不是经由热传导、热对流和热辐射从外部热源供应。此外，加热系统的最热部分将在加热系统的压力壳体内。优选地，电源和结构体的尺寸使得结构体的至少一部分达到至少700℃，优选至少900℃，更优选至少1000℃的温度。导电材料的表面积、用(可选的)陶瓷涂层涂覆的导电材料的部分、以及陶瓷涂层的类型和结构可以被定制为特定的操作条件。
加热系统可以包括控制系统，该控制系统被布置成控制电源以确保离开压力壳体的气体的温度位于预定范围内。
在出口处离开加热系统的加热后的气体可以在进料气体处具有基本上相同的化学成分和摩尔流速，因为在加热系统中不发生化学反应。因此，进料气体在入口处可以具有与压力壳体外壳(pressure shell housing)的出口处基本相同的化学成分。
加热系统可以包括至少两个导体，该至少两个导体电连接到结构体和放置在所述压力壳体外部的电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流通过所述第一宏观结构和第二宏观结构而将所述结构体的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体在更靠近所述第一端部的位置处连接到第一宏观结构，并且其中所述结构体被构造为引导电流从一个导体基本上经由第一宏观结构流转(run)到第二宏观结构并且返回到所述至少两个导体中的第二个。
优选地，导体由与导电材料不同的材料制成。导体可以例如是铁、镍、铝、铜、银或其合金。
术语“导电”意在表示具有在20℃从10-5Ω·m至10-8Ω·m的范围内的电阻率的材料。因此，导电的材料例如是金属(如铜、银、铝、铬、铁、镍)或金属的合金。此外，术语“电绝缘”意在表示具有在20℃高于10Ω·m(例如在20℃从109Ω·m到1025Ω·m的范围内)的电阻率的材料。
在结构体上方的气体流动可以是轴向的或者与穿过结构体的电流路径同轴，垂直于电流路径或具有相对于电流路径的任何其它适当方向。
电源的尺寸可以设计成将所述结构体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。
原料可以是基本上纯的蒸汽和碳氢化合物(hydrocarbon，烃)流(stream)，可选地，原料可以是纯CO2或纯H2。此外，加热工艺的原料可以包括来自加热系统下游的单元操作的再循环流。
在实施例中，进料气体可以是基本上纯的CO2，其被加热到800℃，或甚至1000℃，或甚至1200℃。加热后的CO2可以在从加热系统排出(outlet)后与热的合成气混合并根据在绝热柱转换器(APOC)中的甲烷蒸汽重整、甲烷化和逆水煤气变换反应进行平衡，用于在富含CO的合成气中生产CO。
其中，逆水煤气变换反应被理解为：
甲烷化(和逆蒸汽重整)反应被理解为：
热合成气可以由任何合适的重整技术提供，诸如管状重整器、自热重整器或电重整器。
与例如独立的管状重整器相比，绝热柱转换器(APOC)的使用能够在非常苛刻的条件和低的蒸汽添加下为合成气生产确保整个工艺运行，因为以这种方式能够部分地规避碳极限，否则碳极限将对所述反应器系统造成工艺限制。
其中富含CO的合成气流被理解为具有相对大量CO的气流。在实施例中，富含CO的合成气包含低于3(例如优选低于2，或甚至低于1)的H2/CO比率的气体混合物。
在实施例中，进料气体是不同气体(诸如N2和H2)的混合物。
在实施例中，包括N2和H2的加热后的进料气体可以用于还原(reduce)氨催化剂，例如在随后的氨合成反应器中。包括N2和H2的加热后的进料气体可以被加热到500℃。
当加热系统包括在结构体和压力壳体之间的隔热层时，获得结构体和压力壳体之间的适当的热绝缘和电绝缘。压力壳体和结构体之间的隔热层的存在有助于避免压力壳体的过度加热，并有助于减少对周围环境的热损失。结构体(至少在其某些部分)的温度可以达到约1300℃，但是通过在结构体和压力壳体之间使用隔热层，压力壳体的温度能够保持在比方说500℃甚至100℃的显著较低的温度，这是有利的，因为典型的构造钢材料通常不适合在高于1000℃的温度的压力承载应用。此外，压力壳体和结构体之间的隔热层有助于控制加热系统内的电流，因为隔热层也是电绝缘的。隔热层可以是一层或多层固体材料，诸如陶瓷、惰性材料、纤维材料、砖或气体屏障或其组合。因此，还可以想到，吹扫(purge)气体或受限气体构成或形成隔热层的一部分。
应注意，术语“隔热材料”意在表示具有约10W·m-1·K-1或以下的热导率的材料。隔热材料的示例是陶瓷、砖、氧化铝基材料、氧化锆基材料和类似材料。
有利地，结构体、隔热层、压力壳体和/或加热系统内部的任何其它部件之间的任何相关间隙填充有惰性材料，例如以惰性粒料(pellet，颗粒)的形式。这种间隙例如是结构体的下侧与压力壳体的底部之间的间隙以及结构体的侧面与覆盖压力壳体的内侧的绝缘层之间的间隙。惰性材料例如可以是粒料或瓷砖(tile)形式的陶瓷材料。惰性材料有助于控制通过加热系统的气体分布以及控制通过结构体的气体的流动。此外，惰性材料通常具有隔热效果。
压力壳体可以具有2巴至30巴之间的设计压力。实际操作压力将由设施的尺寸以及其它方面确定。由于加热系统的最热部分是导电材料，该导电材料将被隔热层包围并且在加热系统的压力壳体内，所以压力壳体的温度能够保持显著低于最大工艺温度。这允许具有压力壳体的例如700℃或500℃或者优选地300℃或100℃的压力壳体的相对低设计温度，同时在结构体上具有400℃、或甚至900℃、或甚至1100℃、或甚至高达1300℃的最大工艺温度。在这些温度的较低温度(对应于如上所述的压力壳体的设计温度)处，材料强度更高。当设计加热系统时，这提供了优点。因此，压力壳体可以具有2巴至30巴之间，或者30巴和200巴之间的设计压力。在工艺经济性和热力学限制之间，大约30巴是优选的。
导电材料的电阻率可以在10-5Ω·m与10-7Ω·m之间。当利用电源激励时，具有在该范围内的电阻率的材料提供结构体的有效加热。石墨在20℃具有约10-5Ω·m的电阻率，铁铬铝耐热材料(kanthal，坝塔尔合金，康泰尔)在20℃具有约10-6Ω·m的电阻率，而不锈钢在20℃具有约10-7Ω·m的电阻率。例如，导电材料可以由具有在20℃大约1.5·10-6Ω·m的电阻率的铁铬合金(FeCrAlloy)制成。
通常，压力壳体包括用于使进料气体进入的入口和用于使加热后的气体排出的出口，其中入口被定位成靠近压力壳体的第一端部，并且出口被定位成靠近压力壳体的第二端部，并且其中至少两个导体都在结构体上更靠近入口而不是出口的位置处连接到结构体。由此，当入口气体将具有比产物气体更低的温度时，至少两个导体能够被放置在加热系统的基本上较冷的部分中，由于加热的工艺所消耗的热量，导电材料将在材料的最上游部分中较冷，并且通过入口供给的进料气体可以在由加热的结构体进一步沿着气体的路径在加热的结构体上方加热之前冷却至少两个导体。有利的是，除了导电材料之外的所有导电元件的温度保持在低位(keep down)，以便保护导体和结构体之间的连接。当导体和其它导电元件(除了导电材料之外)的温度相对较低，存在对适用于导体和其它导电元件(除了导电材料之外)的材料的较小限制。当导电元件的温度增加时，其电阻率增加；因此，期望避免与加热系统内的导电材料相比所有其它部分的不必要的加热。术语“导电元件(除了导电材料之外)”意在覆盖被布置成将能源供应连接到结构体的相关导电元件，除了导电的结构体本身之外。
应当注意，本发明的系统可以包括任何适当数量的能源供应和将一个能源供应/多个能源供应和结构体的一个或多个导电材料连接的任何适当数量的导体。
至少两个导体可以在配件(fitting，装配)中被引导通过压力壳体，使得至少两个导体与所述压力壳体电绝缘。配件可以部分地由塑料和/或陶瓷材料制成。术语“配件”意在表示允许在压力承载配置中机械地连接两件硬件的装置。由此，即使至少两个导体被引导通过压力壳体，也可以保持压力壳体内的压力。配件的非限制性示例可以是电绝缘配件、介电(dielectric)配件、能源压缩密封件、压缩配件或凸缘。压力壳体通常包括侧壁、端壁、凸缘和可能的另外的部件。术语“压力壳体”意在覆盖任何这些部件。
结构体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。结构体可以包括物理地和电连接到结构体的端子，以便于导电材料和至少两个导体之间的电连接。术语“机械连接”意在表示其中两个部件机械地(诸如通过螺纹连接或通过夹持)保持在一起的连接，使得电流可以在部件之间流转。
在本发明的结构体的特定实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构之间的电连接处通过机械连接、夹持、软焊(solder)、焊接(welding，熔接)或这些连接方法的任何组合来制成。
在本发明的结构体的特定实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构之间的电连接处呈包括至少两个接合装置的连接器的形式，每个接合装置接合所述第一宏观结构和所述第二宏观结构中的一个宏观结构，其中接合装置具有内表面，该内表面具有与所述第一宏观结构和所述第二宏观结构的外表面的至少一部分匹配的形状，并且其中接合装置通过过盈配合附接到周向壁的外表面。在本发明的上下文中，“过盈配合”(也称为压配合或摩擦配合)应当理解为两个紧配合的配对部分之间的紧固，从而在将部件推/压在一起之后产生通过摩擦保持在一起的接合。连接器和一个或多个宏观结构可以通过在一个部件上施加来自例如压机的强制压力以使其在另一个部件上方滑动/滑动到另一个部件中而接合。在特定实施例中，连接器由包含一种或多种选自由以下各项组成的组的物质的合金形成：Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn和Si。
在本发明的结构体的特定实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构之间的电连接处是导电材料的桥的形式，其中桥和第一宏观结构和第二宏观结构一起形成连贯的结构。这里，“连贯的”意味着形成连续相。在特定实施例中，桥通过以下方式形成：以三个单独的实体的形式提供第一宏观结构、第二宏观结构和桥的导电材料，并且通过包括烧结或氧化处理的步骤的方法将单独的实体接合在一起。在特定实施例中，桥与第一宏观结构和第二宏观结构的组合是3D打印，然后烧结的。在特定实施例中，桥的导电材料是包括一种或多种选自由Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn和Si组成的组的物质的合金。在特定实施例中，桥与第一宏观结构和第二宏观结构的导电材料相同。放置在导电材料的阵列中的导电材料可以彼此电连接。两个或更多个导电材料之间的连接可以通过机械连接、夹持、软焊、焊接或这些连接方法的任何组合(来实现)。每个导电材料可以包括端子以便于电连接。两个或更多个导电材料可以以串联或并联连接的形式连接到电源。两个或更多个导电材料之间的电连接处沿着两个或更多个导电材料之间的连接表面有利地是连贯的和均匀的，使得两个或更多个导电材料充当单个连贯的或一致地内部连接的材料；由此，促进遍及两个或更多个导电材料的均匀的电导率。可选地或附加地，结构体可以包括彼此不电连接的导电材料的阵列。相反，两个或更多个导电材料一起放置在压力壳体内，但彼此不电连接。在这种情况下，结构体因此包括与电源并联连接的导电材料。
陶瓷涂层可以通过冲洗涂层(wash coating，洗涂层)直接添加到导电材料的金属表面上。金属表面的冲洗涂层是公知的工艺；在例如Cybulski,A.和Moulijn,J.A.，《结构体和反应器》，Marcel Dekker,Inc,New York,1998，第三章，和本文中的参考文献中给出的描述。陶瓷涂层可以例如是包括Al、Zr、Mg、Ce和/或Ca的氧化物。示例性涂层是铝酸钙或镁铝尖晶石。此类陶瓷涂层可以包括其它元素，诸如La、Y、Ti、K或其组合。陶瓷涂层是电绝缘材料，并且将通常具有在约100μm(例如10μm-500μm)的范围内的厚度。
压制(extrude)和烧结或3D打印宏观结构导致均匀且连贯地成形的宏观结构，其随后能够涂覆有陶瓷涂层。
导电材料和陶瓷涂层可以在氧化气氛中烧结，以便在陶瓷涂层和导电材料之间形成化学键；这在导电材料和陶瓷涂层之间提供特别高的导热率。由此，结构体在传热方面是紧凑的，并且容纳结构体的加热系统可以是紧凑的并且主要受到加热速率的限制。
在实施例中，结构体可以具有至少一个电绝缘部分，该电绝缘部分被布置成将导体之间的电流路径增加到比结构体的最大尺寸更大的长度。在大于结构体的最大尺寸的导体之间的电流路径的提供可以通过一个或多个电绝缘部分的提供(来实现)，该一个或多个电绝缘部分位于导体之间并防止电流流经结构体的某个部分。这种电绝缘部分被布置成增加电流路径并且因此增加通过结构体的电阻。由此，通过结构体的电流路径能够比结构体的最大尺寸长例如超过50％、100％、200％、1000％或甚至10000％。
绝缘部件的非限制性示例是结构中的切口、狭缝或孔。可选地，能够使用结构中的切口或狭缝中的固体绝缘材料(诸如陶瓷)。切口或狭缝内的固体绝缘材料有助于将结构体的各部分相对于彼此保持在切口或狭缝的侧面上。如本文中所使用的，术语“结构体的最大尺寸”意在表示由结构体占据的几何形式的最大内部尺寸。如果结构体是箱形的，则最大尺寸将是从一个角部到最远角部的对角线，也表示为空间对角线。
应当注意，被布置为增加电流路径的绝缘部分不一定与导电材料上的陶瓷涂层相关；即使该陶瓷涂层也被认为是电绝缘的，但是其不改变连接到导电材料的导体之间的电流路径的长度。
应当注意，即使通过结构体的电流可以被布置为由于被设成增加电流路径的电绝缘部分而使其通过结构体的方式扭转(twist)或卷绕(wind)，穿过加热系统的气体也在加热系统的一个端部处进入(inlet)，在从加热系统排出之前经过(pass over，绕过)结构体一次。惰性材料有利地存在于结构体与加热系统的其余部分之间的相关间隙中，以确保加热系统内的气体通过结构体。
通过结构体的气体通道的长度适当地小于从一个电极通过结构体并到达下一个电极的电流的通道的长度。气体通道的长度与电流通道的长度的比率可以小于0.6、或0.3、0.1或甚至低至0.002。
宏观结构的几何表面积可以在100m2/m3和3000m2/m3之间，诸如在500m2/m3和1100m2/m3之间。通常，宏观结构的材料被选择为被布置成通过材料的电阻加热供应500W/m2至50kW/m2的热通量的材料。优选地，材料的电阻加热提供5kW/m2和12kW/m2之间(例如8kW/m2和10kW/m2之间)的热通量。热通量被给出为暴露于气体的表面的每几何表面积的热量。
离开压力壳体/加热系统的气体的预定温度范围为从200℃至1400℃的范围。在结构体的最下游表面下方或其上直接测量来自结构体的加热后的气体出口温度。测量技术能够是热电偶(通过电压降)、电阻温度检测器或红外检测。测量点能够与结构体分离并且嵌入在下游惰性(材料)中，或者直接在具有绝缘表面覆盖的表面上。
所述加热系统内的结构体适当地具有在通过结构体的水平横截面的面积等效直径与结构体的高度之间的在从0.05到2.0的范围内的比率。通过加热系统的横截面的面积等效直径被定义为作为横截面面积的等效面积的圆的直径。当面积等效直径和结构体的高度之间的比率在0.1和2.0之间时，与其它加热系统相比，容纳结构体的压力壳体可以相对较小。
通常，气体沿向上流动或向下流动方向流过加热系统，使得气体沿着结构体的高度流过结构体中的通道。
考虑与导电材料的产热能力相关的从加热系统排出的期望温度来选择结构体的体积。
加热系统的高度可以在0.5m至7m之间，更优选地在0.5m至3m之间。加热系统的高度的示例性值是小于5米，优选小于2m或甚至小于1m的高度。加热系统的尺寸和加热系统内的结构体的尺寸是相关的；当然，压力壳体和隔热层使加热系统比结构体本身大一些。
上述加热系统不是分离式系统。当不在整个压力承载壁上传递加热(heating，热量)时，机械故障的风险不高。这意味着启动是比较快的，并且实际上本发明能够通过施加给定电压来启动，然后系统将在没有任何附加的操作员输入的情况下朝着热平衡工作以达到稳定状态。
提供一种用于在如本文中所述的加热系统中加热进料气体的工艺；所述工艺包括以下步骤：
-对所述进料气体加压，
-将所述加压后的进料气体供应至加热系统，
-经由电导体供应电力，这些电导体将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体，从而允许电流流经所述导电材料，由此加热结构体的至少一部分，
-在结构体上方加热进料气体，以及
-从加热系统排出加热后的气体。
以上给出的系统的所有细节是(在任何可能的情况下)与上述工艺相关的。
在一个方案中，进料气体被加压至2巴和30巴之间的压力。进料气体可以被加压至30巴和200巴之间的压力。适宜地，将结构体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。加热结构体被加热到的最高温度为大约1400℃。
该工艺可以包括对产物气体进行的进一步的步骤，例如纯化、加压、附加的加热、冷却等，以提供用于本发明的加热系统下游的应用的最终的加热后的气体。
应该注意，进料气体可以包括单独的进料气体，且对进料气体进行加压的步骤可以包括单独地对单独的进料气体进行加压。此外，应该注意，所书写的工艺的步骤的顺序不一定是工艺步骤发生的顺序，因为两个或两个以上步骤可以同时发生，或者顺序可以不同于上文所指示的顺序。
在实施例中，该工艺包括将压力壳体上游的气体加压至最高达至少2巴的压力的步骤。所选择的运行压力由在周围工艺步骤中加热的集成来定义。
在根据本发明的工艺的实施例中，进入加热系统的进料气体的温度在100℃和700℃之间，优选在100℃和300℃之间。然而，在所有实施例中，调节进料气体的温度和压力以确保进料气体高于露点。
提供一种反应器系统，用于进行进料气体的吸热反应，所述反应器系统包括：
a)如本文所述的结构体；
b)容纳所述结构化催化剂的压力壳体，所述压力壳体包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使产物气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部进入所述结构体并且所述产物气体从第二端部离开所述催化剂；以及
c)在所述结构体和所述压力壳体之间的隔热层。
应当理解，本领域技术人员将容易认识到，结合包括催化活性材料的结构体描述的任何特征也可以与反应器系统组合以进行进料气体的吸热反应，反之亦然。
包括如上所述的催化活性材料的结构体非常适合用于进行进料气体的吸热反应的反应器系统。因此，以上关于结构体提出的评论同样适用于反应器系统。
反应器系统的布局允许在入口处将加压后的进料气体供给至反应器系统，并将该气体引导至反应器系统的压力壳体中。在压力壳体内部，隔热层和惰性材料的配置被布置成引导进料气体通过结构体的通道，在那里它将与陶瓷涂层和支持在陶瓷涂层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。另外，结构体的加热将为吸热反应提供所需的热量。将来自结构体的产物气体引导至反应器系统出口。
当压力壳体包括用于使进料气体排出的入口和用于使产物气体排出的出口时，其中入口被定位成使得进料气体在结构体的第一端部进入结构体并且产物气体从结构体的第二端部离开结构体，并且当至少两个导体两者都在结构体上比出口更靠近入口的位置处连接到结构体时，至少两个导体能够被放置在反应器系统的相对较冷的部分中。由于以下各项，结构体的第一端部具有比结构体的第二端部更低的温度：
-穿过入口供给的进料气体可以进一步沿着气体通过结构体的路径冷却由结构体加热的至少两个导体。
-由于电气性地(electrically)供应给结构体的热量，进入结构体的第一端部的进料气体入口将具有比离开结构体的第二端部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，
-结构体被构造成引导电流从一个导体基本上流转到结构体的第二端部并且返回到至少两个导体中的第二个。
结构体中的温度轮廓(temperature profile，温度剖面)可以对应于沿着进料气体通过结构体的路径的基本上连续增加的温度。
当本发明的反应器系统用于促进蒸汽重整反应时，其具有优于更传统地使用的燃烧管状重整器(reformer)的若干优点。本发明的反应器系统不需要炉(furnace)，而这大大降低了总反应器尺寸。此外，与已知的管状蒸汽重整器相比，有利的是在单个压力壳体中产生的产物气体的量显著地增加。在标准的管状蒸汽重整器中，在管状蒸汽重整器的单个管中产生的产物气体的量高达500Nm3/h。相比之下，本发明的反应器系统被布置成在单个压力壳体内产生高达或超过2000Nm3/h，例如甚至高达或超过10000Nm3/h(的产量)。这能够在进料气体中不存在O2并且在所产生的合成气中具有少于10％的甲烷的情况下进行。当单个压力壳体外壳用于产生高达10000Nm3/h或更多的产物气体的催化剂时，不再需要提供多个压力壳体或用于将进料气体分布到多个这样的单独的压力壳体的装置。
反应器系统的另一个优点在于，由于包括支持催化活性材料的宏观结构的结构体，通过反应器系统内的结构体的流动可以是向上流动(up-flow，上流式)。可选地，通过结构体的流动可以沿水平方向或任何其它适当的方向。在反应器包含粒料的情况下，由于流化、研磨和吹出粒料的风险，这更困难。由此，可以避免大量的管道(piping)，从而降低设施成本。此外，向上流动或水平流动的可能性增加了设施设计中的灵活性。
此外，应当注意，术语“至少两个导体在结构体上的相比结构化催化剂的第二端部更靠近结构体的第一端部的位置处连接到结构体”意在表示至少两个导体中的两个都/全部被连接为相比第二端部更靠近结构体的第一端部。优选地，所述至少两个导体连接到结构体的第一端部或连接到最接近第一端部的该/一宏观结构长度的四分之一内。
提供包括上述催化活性材料或上述反应器的结构体的使用，其中吸热反应选自由以下各项组成的组：甲烷蒸汽重整(steam methane reforming)、氰化氢生成(hydrogencyanide formation)、甲醇裂解、氨裂解、逆水煤气变换(reverse water gas shift)和脱氢。
术语“脱氢”意在表示以下反应：
其中R1和R2可以是碳氢化合物分子中的任何合适的基团，诸如-H、-CH3、-CH2或-CH。
在实施例中，吸热反应是碳氢化合物的脱氢。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巴-5巴。
术语“水煤气变换”意在表示以下反应：
在实施例中，吸热反应是逆(reverse)水煤气变换反应(水煤气变换的逆反应(reverse reaction))。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巴-80巴，优选10巴-40巴。在实施例中，所述宏观结构由Fe Cr Al的合金制成，支持ZrO2和Al2O3混合物的陶瓷涂层，其中Mn作为催化活性材料。在另一个实施例中，所述宏观结构由Fe Cr Al的合金制成，其支持ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，其中Ni作为催化活性材料。
术语“甲醇裂解”意在表示以下反应：
通常，甲醇裂解反应伴随着水煤气变换反应。
在实施例中，吸热反应是甲醇的裂解。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巴-30巴，优选约25巴。在实施例中，所述宏观结构由Fe Cr Al的合金制成，支持ZrO2和Al2O3混合物的陶瓷涂层，其中CuZn作为催化活性材料。在另一个实施例中，所述宏观结构由Fe Cr Al的合金制成，其支持ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，其中Ni作为催化活性材料。
此外，术语“蒸汽重整”意在表示根据以下反应中的一个或多个的重整反应：
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这些反应也通常与水煤气变换反应相结合。
在实施例中，吸热反应是碳氢化合物的蒸汽重整。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巴-180巴，优选约25巴。催化活性材料可以是Ni、Ru、Rh、Ir或它们的组合，而陶瓷涂层可以是Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、CaAl2O4或它们的组合，并且与氧化物(诸如Y、Ti、La或Ce)可能地混合。在实施例中，所述宏观结构由Fe Cr Al的合金制成，支持ZrO2和MgAl2O4混合物的陶瓷涂层，其中镍作为催化活性材料。
术语“氨裂解”意在表示以下反应：
在实施例中，吸热反应是氨裂解。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巴-30巴，优选约25巴。
术语“氰化氢合成”意在表示以下反应：
在实施例中，吸热反应是氰化氢合成或用于有机腈(organic nitriles)的合成工艺。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巴-30巴，优选约5巴。
在实施例中，反应器系统还包括在压力壳体内的结构体上游的催化剂材料(诸如催化剂粒料)的床。这里，术语“上游”是从进料气体的流动方向看到的。因此，术语“上游”在这里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化学反应(诸如水煤气变换)的热平衡(进行)的绝热反应来执行进料混合物的预处理。附加地/可选地，催化剂材料的床可以用作防护件(guard)以防止由杂质(诸如硫和/或氯)污染下游的结构体。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紧邻结构体，则可以间接地加热催化剂材料的床。
在实施例中，将催化剂材料的床放置在压力壳体内和结构体的下游。这种催化剂材料可以是催化剂粒料、挤出物或颗粒(granulate)的形式。这提供了其中第四催化剂材料能够被布置成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接近平衡的程度。
应当理解，本领域技术人员将容易认识到，结合结构体和反应器系统描述的用于进行进料气体的吸热反应的任何特征适用于该用途。因此，以上关于结构体和反应器系统阐述的评论同样适用于其用途。
附图的详细描述
在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1a示出了通过根据本发明的加热系统100的实施例的横截面。加热系统100包括结构体10，该结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B(参见例如图1b)。在所示的实施例中，第一宏观结构5A和第二宏观结构5B同轴地布置。此外，加热系统100包括导体40和导体40’，导体40和导体40’连接到电源(图中未示出)和结构体10(即宏观结构)。导体40、40’被引导通过容纳结构体的压力壳体20的壁，并且通过压力壳体的内侧上的绝缘材料30(即配件50)。导体40’通过导体接触轨41连接到结构体10。
在实施例中，电源供应26V的电压和1200A的电流。在另一个实施例中，电源供应5V的电压和240A的电流。电流被引导通过电导体40、电导体40’到达导体接触轨41，并且电流从一个导体接触轨41(例如，从图1a中的左侧看到的导体接触轨)流经结构体10，从第一端部流经第一宏观结构5A到达第二端部，并且从第二端部流经第二宏观结构5B到达第一端部，并到达另一个导体接触轨41(例如，图1a中右侧看到的导体接触轨)。电流能够是交流电，并且例如在两个方向上交替地流转，或者能够是直流电，并且在两个方向中的任一个上流转。
宏观结构5a、5B由导电材料制成。特别优选的是由铝、铁和铬组成的合金铁铬铝耐热材料(kanthal，坝塔尔合金，康泰尔)。第一宏观结构和第二宏观结构可以支持涂覆到结构体5上的陶瓷涂层(例如氧化物)。导体40、40’以如铁、铝、镍、铜或其合金的材料制成。
在运行过程中，进料气体从上方进入加热系统100，如箭头11所示。加热后的气体从其底部离开加热系统，如箭头12所示。
图1b示出了图1a的加热系统100，其中移除了压力壳体20和隔热层30的一部分，并且图2是加热系统100的一部分的放大视图。能够看出，导体40在配件50中被引导通过压力壳体的壁。
在图1a、图1b和图2所示的加热系统中，导体40、导体40’被引导通过压力壳体20的壁，该压力壳体20容纳结构体并经由配件50通过压力壳体的内侧上的绝缘材料30。如箭头11所示，进料气体经由加热系统100的上侧中的入口进入加热系统100，并且加热后的气体经由加热系统100的底部中的出口离开加热系统100，如箭头12所示。
在图1a至图2所示的加热系统100中，惰性材料(图1a-图2中未示出)可以布置在结构体10的下侧和压力壳体的底部之间。附加地，惰性材料可以被布置在结构体10的外侧之间，该结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B以及绝缘材料30。因此，绝缘材料30的一侧可以面向压力壳体20的内侧，并且绝缘材料30的另一侧可以面向惰性材料。惰性材料可以是陶瓷材料并且可以是粒料的形式。惰性材料有助于控制整个加热系统100上的压降以及控制通过加热系统100的气体的流动，使得气体流过结构体10的表面。
应当理解，图1a、图1b和图2可以作为加热系统的替代方案，示出了反应器系统100。在可选的配置中，第一宏观结构5A和第二宏观结构5B涂覆有浸渍有催化活性材料的陶瓷涂层。在运行过程中，进料气体从上方(如箭头11所示)进入反应器系统100。作为加热后的气体的替代物的产物气体从反应器系统的底部(如箭头12所示)离开反应器系统。
图3-图8示出了包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B的结构体10的实施例。在图3-图7所示的实施例中，第一宏观结构和第二宏观结构同轴地布置。
在图3-图8中的每个中，结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15，其中第一端部14形成通向宏观结构10的用于进料气体的入口，并且其中第二端部15形成用于加热后的/产物气体的出口。
第一宏观结构5A和第二宏观结构5B包括三维网状结构5(参见图3)，其中网状结构5形成允许进料气体从第一端部14流动到第二端部15的流动路径。如图3的左部中所示，网状结构5的至少一部分形成多个平行的流动通道60。然而，应当理解，通道中的至少一些可以是不平行的。
流动通道60仅在图3的左侧示出。在图3-图8的剩余部分中，省略了网状结构5的开口(诸如流动通道、切口、狭缝等)。
第二宏观结构5B围绕第一宏观结构5A周向地布置，并且第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在第二端部15处电连接。结构体10被配置为通过在第二端部15处电连接第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，将电流从第一端部14流经第一宏观结构5A引导到第二端部15，然后从第二端部15流经第二宏观结构5B引导到第一端部14。
在所示的实施例中，第二宏观结构5B是在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15的细长结构。第二宏观结构5B是中空的，从而完全包围第一宏观结构5A，由此第二宏观结构5B的内表面面向第一宏观结构5A的外表面。
应当理解，在可选的实施例(未示出)中的第二宏观结构可以部分地围绕第一宏观结构周向地布置，由此第二宏观结构的内表面的一部分面向第一宏观结构的外表面的一部分。
第一宏观结构5A和第二宏观结构5B可以涂覆有陶瓷涂层，该陶瓷涂层可以支持催化活性材料。
在图3中，结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15。第一宏观结构5A和第二宏观结构5B各自在垂直于纵向方向的截面中形成圆形外部形状。
图4示出了通过图3所示的结构体10的实施例的横截面。在向左的横截面中清楚地示出流动通道60。此外，横截面清楚地示出了第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在第二端部15处连接。
在图5中，结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15。第一宏观结构5A和第二宏观结构5B各自在垂直于纵向方向的截面中形成正方形外部形状。在向右的横截面中，清楚地示出了第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在第二端部15处连接。
图6示出了结构体10的两个不同实施例，每个实施例包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15。第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在垂直于纵向方向的横截面中各自形成六边形外部形状，而第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在垂直于纵向方向的横截面中可各自形成三角形外部形状。
图7示出了通过图6所示的结构体10的实施例的横截面。横截面清楚地示出了第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在第二端部15处连接。
在图8中，结构体10包括第一宏观结构5A和第二宏观结构5B，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部14延伸到第二端部15。第一宏观结构5A和第二宏观结构5B各自在垂直于纵向方向的截面中形成有机外部形状。在向右的横截面中，清楚地示出了第一宏观结构5A和第二宏观结构5B在第二端部15处连接。
提供了以下编号的项目：
项目1.一种被布置成用于加热进料气体的结构体(10)，所述结构体(10)包括第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部(14)延伸到第二端部(15)，其中所述第一端部(14)形成通向所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)的用于所述进料气体的入口，并且所述第二端部(15)形成用于加热后的气体的出口，所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)包括三维网状结构(5)，其中所述网状结构(5)形成流动路径(60)，流动路径允许进料气体从所述第一端部(14)流动到所述第二端部(15)，网状结构(5)由导电的金属材料形成，其中第二宏观结构(5B)至少部分地围绕第一宏观结构(5A)周向地布置，并且其中第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)在第二端部(15)处电连接。
项目2.根据项目1所述的结构体(10)，其中，网状结构(5)至少部分地支持陶瓷涂层。
项目3.根据项目2所述的结构体(10)，其中，陶瓷涂层的至少一部分支持催化活性材料。
项目4.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，网状结构(5)的至少一部分形成多个平行的流动通道(60)。
项目5.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)中的至少一个包括形成内部空间的周向壁，周向壁由导电的金属材料形成，并且其中网状结构(5)被布置在内部空间中。
项目6.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第二宏观结构(5B)围绕第一宏观结构(5A)的外表面的至少50％(诸如至少60％，诸如至少70％，诸如至少80％，诸如至少90％，诸如100％)周向地布置。
项目7.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，还包括一个或多个附加宏观结构，其中每个附加宏观结构在其内侧上至少部分地围绕最靠近所述附加宏观结构的宏观结构周向地布置，并且其中相邻的宏观结构在第一端部(14)和第二端部(15)处交替地电连接。
项目8.根据项目7所述的结构体(10)，包括第一附加宏观结构，其中第一附加宏观结构至少部分地围绕第二宏观结构(5B)周向地布置，并且其中第二附加宏观结构和第一附加宏观结构在第一端部(14)处电连接。
项目9.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)的外表面与第二宏观结构(5B)的内表面匹配。
项目10.根据项目9所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)的外表面在横向于纵向方向的横截面中是基本上圆形的。
项目11.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构和第二宏观结构基本上同轴地布置。
项目12.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)中的至少一个通过3D打印来生产。
项目13.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)通过3D打印生产为单个件。
项目14.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，还至少包括第一导体(40)和第二导体(40’)，该第一导体和该第二导体分别电连接到所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)，并且电连接到电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流通过所述宏观结构(5A、5B)而将所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)的至少一部分加热到至少500℃的温度，所述导体(40、40’)被连接在第一宏观结构和第二宏观结构(5A，5B)上的相比所述第二端部(15)更靠近所述第一端部(14)的位置处，结构体(10)被配置为引导电流从第一导体(40、40’)流经第一宏观结构(5A)到达所述第二端部(15)，然后流经第二宏观结构(5B)到达第二导体(40、40’)。
项目15.根据项目14所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)各自包括附接区段以允许第一导体(40)和第二导体(40)的附接，其中附接区段与第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)一体地3D打印。
项目16.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，网状结构(5)包括多个切口。
项目17.根据项目16所述的结构体(10)，其中，切口填充有具有比金属材料的电导率更低的电导率的切口材料。
项目18.根据项目16或17所述的结构体(10)，其中，切口材料是固体材料。
项目19.根据项目18所述的结构体(10)，其中，固体材料具有基本上等于形成网状结构(5)的金属材料的热机械性能的热机械性能。
项目20.根据项目16所述的结构体(10)，其中，切口的第一子组填充有空气，并且其中切口的第二子组填充有固体材料。
项目21.根据项目16-20中任一项所述的结构体(10)，其中，切口中的至少一个切口具有选自由以下各项组成的组的形状：球体、圆盘、椭圆体、液滴、螺旋和多面体(诸如长方体、金字塔形、菱形和斜方形)。
项目22.根据项目16-21中任一项所述的结构体(10)，其中，切口中的至少两个切口为不同的形式和/或形状。
项目23.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)中的至少一个包括流动导向件以确保流动分布，其中流动导向件与所述至少一个宏观结构(5A，5B)3D打印为一个件。
项目24.根据前述项目中任一项所述的结构体(10)，其中，金属材料是包括一种或多种选自由以下各项组成的组的物质的合金：Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn和Si。
项目25.一种用于进料气体加热的加热系统(100)，所述加热系统(100)包括：
a)至少一个根据项目1-24中任一项所述的结构体(10)；
b)容纳所述结构体(10)的压力壳体(20)，所述压力壳体(20)包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使加热后的气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部(14)进入所述结构体(10)并且所述加热后的气体从第二端部(15)离开所述本体；以及
c)在所述结构体(10)和所述压力壳体(20)之间的隔热层(30)。
项目26.根据项目25所述的加热系统(100)，还包括至少两个导体(40、40’)，该至少两个导体电连接到结构体(10)且电连接到放置在所述压力壳体(20)外部的电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流通过第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)而将所述结构体(10)的至少一部分加热到至少400℃的温度，其中所述至少两个导体(40、40’)在更靠近第一端部(14)的位置处连接到第一宏观结构(5A)，并且其中结构体(10)被构造为引导电流从一个导体(40、40’)基本上经由第一宏观结构(5A)流转到第二宏观结构(5B)并且返回到所述至少两个导体(40、40’)中的第二个。
项目27.根据项目26所述的加热系统(100)，其中，所述电源的尺寸被设计成将所述结构体(10)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28.根据项目25-27中任一项所述的加热系统(100)，其中，进料气体在入口处具有与压力壳体外壳的出口处基本相同的化学成分。
项目29.根据项目25-28中任一项所述的加热系统(100)，其中，压力壳体(20)具有2巴和30巴之间的设计压力。
项目30.根据项目25-28中任一项所述的加热系统(100)，其中，压力壳体(20)具有30巴和200巴之间的设计压力。
项目31.根据项目25-30中任一项所述的加热系统(100)，其中，导电材料的电阻率在10-5Ω·m与10-7Ω·m之间。
项目32.根据项目26-31中任一项所述的加热系统(100)，其中，所述至少两个导体(40、40’)在配件中被引导通过压力壳体(20)，使得至少两个导体(40、40’)与压力壳体(20)电绝缘。
项目33.根据项目26-32中任一项所述的加热系统(100)，其中，结构体(10)和所述至少两个导体(40、40’)之间的连接是机械连接、焊接连接、钎焊连接或其组合。
项目34.根据项目26-33中任一项所述的加热系统(100)，还包括控制系统，该控制系统被布置成控制电源以确保离开压力壳体(20)的气体的温度位于预定范围内。
项目35.根据项目25-34中任一项所述的加热系统(100)，其中，结构体(10)具有在通过结构体(10)的水平横截面的面积等效直径与结构体(10)的高度之间的在从0.1到2.0的范围内的比率。
项目36.根据项目25-35中任一项所述的加热系统(100)，其中，加热系统(100)的高度在0.5m和7m之间，更优选地在0.5m和3m之间。
项目37.用于在根据项目25-36中任一项所述的加热系统(100)中加热进料气体的工艺；所述工艺包括以下步骤：
-对所述进料气体加压，
-将所述加压后的进料气体供应至加热系统(100)，
-经由将放置在所述压力壳体(20)外部的电源连接到所述结构体(10)的电导体(40、40’)来供应电力，从而允许电流流经所述导电材料，由此加热结构体(10)的至少一部分，
-在结构体(10)上方加热进料气体，以及
-从加热系统(100)排出加热后的气体。
项目38.根据项目37所述的工艺，其中，所述进料气体被加压至2巴和30巴之间的压力。
项目39.根据项目37所述的工艺，其中，所述进料气体被加压至30巴和200巴之间的压力。
项目40.一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)根据项目3-24中任一项所述的结构体(10)；
b)容纳所述结构体(10)的压力壳体(20)，所述压力壳体(20)包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使产物气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部(14)进入所述结构体(10)并且所述产物气体从第二端部(15)离开所述催化剂；以及
c)在所述结构体(10)和所述压力壳体(20)之间的隔热层(30)。
项目41.根据项目3-24中任一项所述的结构体(10)或根据项目40所述的反应器的应用，其中，吸热反应选自由以下各项组成的组：甲烷蒸汽重整、氰化氢生成、甲醇裂解、氨裂解、逆水煤气变换和脱氢。

Claims (19)

1.一种被布置成用于加热进料气体的结构体(10)，所述结构体(10)包括第一宏观结构(5A)和第二宏观结构(5B)，每个宏观结构在纵向方向上从第一端部(14)延伸到第二端部(15)，其中所述第一端部(14)形成通向所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)的用于所述进料气体的入口，并且所述第二端部(15)形成用于加热后的气体的出口，所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)包括三维网状结构(5)，其中所述网状结构(5)形成流动路径(60)，所述流动路径允许所述进料气体从所述第一端部(14)流动到所述第二端部(15)，所述网状结构(5)由导电的金属材料形成，其中所述第二宏观结构(5B)至少部分地围绕所述第一宏观结构(5A)周向地布置，并且其中所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)在所述第二端部(15)处电连接。
2.根据权利要求1所述的结构体(10)，其中，所述网状结构(5)至少部分地支持陶瓷涂层。
3.根据权利要求2所述的结构体(10)，其中，所述陶瓷涂层的至少一部分支持催化活性材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述网状结构(5)的至少一部分形成多个平行的流动通道(60)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)中的至少一个包括形成内部空间的周向壁，所述周向壁由导电的金属材料形成，并且其中所述网状结构(5)被布置在所述内部空间中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述第二宏观结构(5B)围绕所述第一宏观结构(5A)的外表面的至少50％，诸如至少60％，诸如至少70％，诸如至少80％，诸如至少90％，诸如100％周向地布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，还包括一个或多个附加宏观结构，其中每个附加宏观结构在其内侧上至少部分地围绕最靠近所述附加宏观结构的宏观结构周向地布置，并且其中相邻的宏观结构在所述第一端部(14)和所述第二端部(15)处交替地电连接。
8.根据权利要求7所述的结构体(10)，包括第一附加宏观结构，其中所述第一附加宏观结构至少部分地围绕所述第二宏观结构(5B)周向地布置，并且其中所述第二附加宏观结构和所述第一附加宏观结构在所述第一端部(14)处电连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构(5A)的外表面与所述第二宏观结构(5B)的内表面匹配。
10.根据权利要求9所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构(5A)的外表面在横向于所述纵向方向的横截面中是基本上圆形的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构和所述第二宏观结构基本上同轴地布置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，还至少包括第一导体(40)和第二导体(40’)，所述第一导体和第二导体分别电连接到所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)，并且电连接到电源，其中所述电源的尺寸被设计为通过使电流通过所述宏观结构(5A、5B)而将所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)的至少一部分加热到至少500℃的温度，所述导体(40、40’)被连接在所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)上的相比所述第二端部(15)更靠近所述第一端部(14)的位置处，所述结构体(10)被配置为引导电流从所述第一导体(40、40’)流经所述第一宏观结构(5A)到达所述第二端部(15)，然后流经所述第二宏观结构(5B)到达所述第二导体(40、40’)。
13.根据权利要求12所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)各自包括附接区段以分别允许第一导体(40)和第二导体(40)的附接，其中所述附接区段与所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)一体地3D打印。
14.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述第一宏观结构(5A)和所述第二宏观结构(5B)中的至少一个包括流动导向件以确保流动分布，其中所述流动导向件与所述至少一个宏观结构(5A、5B)3D打印为一体。
15.根据前述权利要求中任一项所述的结构体(10)，其中，所述金属材料为合金，所述合金包括一种或多种选自由以下各项组成的组的物质：Fe、Cr、Al、Co、Ni、Zr、Cu、Ti、Mn和Si。
16.一种用于进料气体加热的加热系统(100)，所述加热系统(100)包括：
a)至少一个根据权利要求1-15中任一项所述的结构体(10)；
b)容纳所述结构体(10)的压力壳体(20)，所述压力壳体(20)包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使加热后的气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部(14)进入所述结构体(10)，并且所述加热后的气体从第二端部(15)离开所述本体；以及
c)在所述结构体(10)和所述压力壳体(20)之间的隔热层(30)。
17.一种用于在根据权利要求16所述的加热系统(100)中加热进料气体的工艺；所述工艺包括以下步骤：
-对所述进料气体加压，
-将加压后的所述进料气体供应至所述加热系统(100)，
-经由电导体(40、40’)供应电力，所述电导体将放置在所述压力壳体(20)外部的电源连接到所述结构体(10)，允许电流流经过所述导电材料，从而加热所述结构体(10)的至少一部分，
-在所述结构体(10)上方加热所述进料气体，以及
-从所述加热系统(100)排出加热后的气体。
18.一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)根据权利要求3-15中任一项所述的结构体(10)；
b)容纳所述结构体(10)的压力壳体(20)，所述压力壳体(20)包括用于使所述进料气体进入的入口和用于使产物气体排出的出口，其中所述入口被定位成使得所述进料气体在第一端部(14)进入所述结构体(10)，并且所述产物气体从第二端部(15)离开所述催化剂；以及
c)在所述结构体(10)和所述压力壳体(20)之间的隔热层(30)。
19.根据权利要求3-15中任一项所述的结构体(10)或根据权利要求18所述的反应器的应用，其中，所述吸热反应选自由以下各项组成的组：甲烷蒸汽重整、氰化氢生成、甲醇裂解、氨裂解、逆水煤气变换和脱氢。
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