CN118055804A - 用于烃原料热解的分解反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于对可能包括混合物的多种组合物的烃原料进行热化学分解(热解、裂化、直接分解)的多级分解反应器和方法。供应流中的原料通过加热级，通过将其温度升高到分解温度来活化原料，分解温度取决于原料的性质。对加热级的物理长度和激活之后的流速进行调节，使得流体的加热停留时间短于在分解温度下的平均分解开始时间(例如，在1％或更多原料分解之前)。加热级之后是分解级，分解级支持的分解停留时间长于平均分解开始时间。在分解级中存在的熔融材料可以旋转以便于清除碳沉积。

Description

用于烃原料热解的分解反应器
相关申请
本申请要求于2021年10月5日提交的第63/252159号美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用整体纳入本文用于所有目的。
技术领域
本发明总体涉及多级分解反应器，该多级分解反应器用于对烃原料进行热化学分解，反应中伴随着氢气的产生，其方式是将烃原料升温至热解温度的级与烃热化学分解的级分开。
背景技术
美国每年生产1000万公吨氢气。其中95％是通过蒸汽甲烷重整(SMR)生产的，在此过程中伴随着1亿吨二氧化碳的排放(见A.Majumdar等人，“氢经济的纲要(A frameworkfor a hydrogen economy)”，焦耳(Joule)，第4卷，第8期，2021年8月18日，第1905-1908页)。甲烷热解将甲烷(CH4)热分解为H2和C，可能是减少与氢气生产相关的排放的最具成本效益的解决方案，但现有方法已被证明难以规模化(见M.Steinberg，“直接使用天然气将含碳原材料转化为燃料和化学原料”，国际氢能杂志(International Journal of HydrogenEnergy)，第11卷，第11期，1986年，第715-720页，以及S.Schneider等人，化学生物工程评论(ChemBioEng Reviews)，第7卷，2020年，第1-10页)。通过甲烷分解产生的氢气可能比通过水电解或现有的蒸汽甲烷重整与碳捕获产生的氢气更便宜。可规模化、具有成本效益的甲烷热解尚未广泛商业化，因为它在基本工艺设计和规模扩大方面存在诸多挑战。
烃原料的热分解作为产生氢气、炭黑或各种烃(如烷烃或芳烃)的一种手段，是一种先进的工艺，是多个行业的核心，包括通过甲烷水解生产炭黑和通过烃裂化炼油。烃的热分解包括各种各样的工艺，也称为热解、裂化和其他工艺，在这些工艺中，烃在高温下(通常高于400℃，甚至高于1000℃)分解成更小的成分。在经典化学中，分解反应是指一种化合物分解成两种或两种以上更简单的物质，通常需要输入能量来破坏化学键。烃裂化或热解可以与燃烧类比，但与燃烧不同，在燃烧中，化合物与氧气结合产生氧化物作为产物。
目前，炭黑的生产采用炉黑工艺(占产量的95％)或热黑工艺(占产量的<5％)。炉黑工艺是将重质芳烃油原料持续注入空气流中，空气流通过天然气燃烧加热到1300℃至1500℃的温度。原料热解生成炭黑，然后用水淬灭，将温度降至低于1000℃，以停止反应并控制颗粒尺寸。热黑工艺利用甲烷的热分解，其中将天然气注入一对熔炉，在这对熔炉中交替进行燃烧预热和热解分解。在通过燃烧将每个熔炉加热到高于分解温度后，将温度低于分解温度的新鲜天然气注入熔炉，天然气在熔炉中被加热到分解温度并热解，主要产生氢气和炭黑。
也可以通过炭黑工艺产生氢气，但氢气要么被用作加热工艺的燃料，要么被排放到大气中。甲烷热解制氢是一种类似的烃原料热分解工艺，重点是捕获和利用过程中产生的氢气和固体碳。甲烷热解是一种很有前途的无二氧化碳制氢技术。因此，该技术的主要目的是利用可再生电加热作为热分解过程的动力。
甲烷等烃原料的热分解可以在有或没有活性催化剂的情况下进行。在没有催化剂的情况下，甲烷热分解成氢气和固态碳的温度通常超过1,000℃。催化材料可将热分解温度降至400℃或更低。用于分解烃的催化材料包括但不限于元素周期表中的第VIb族和第VIII族元素，如铁、镍、钴、贵金属、铬、钼、这些金属的合金，甚至含有这些金属的盐和氧化物。
无论是否使用催化剂，可规模化、具有成本效益的甲烷热解都尚未广泛商业化，因为它在基本工艺设计和规模扩大方面存在诸多挑战。甲烷热解需要较高的温度，这就限制了对结构材料的选择，并要求在高通量的情况下进行高效的热传导。它同时产生气态氢和固态碳，这两种物质必须物理分离。固体碳在反应器中的沉积或结焦是任何烃原料热分解的主要操作问题。需要经常清洗反应器，导致停机和非连续工艺。催化剂会因为固体碳沉积而失活，必须更换或清洗。催化金属和盐类会污染固体碳副产品，使其无法用于所有应用。事实上，在某些情况下，其污染程度非常严重，甚至必须作为有毒废物处理。
典型的烃分解方式包括移动床和流化床反应器、等离子反应器、微波反应器、熔融金属浴和流体壁反应器。其中许多反应器会对原料进行预热，但没有一种反应器会在实际分解过程之外的单独级使原料过热至分解温度。另一方面，Kirkbride的美国专利第2,749,709号教导了在熔融金属浴中将原料加热到分解温度，然后在流化床中进行分解。美国专利第2,749,709号中概述的工艺有明显的缺点，包括控制通过熔融浴的原料的温度均匀性，保持足够的原料通量以保持碳颗粒的流化，以及从熔融金属中分离碳。
发明目的
本发明涉及一种新型分解反应器，它克服了现有技术(包括美国专利第2,749,709号)中描述的许多挑战。鉴于现有技术的不足，本发明的目的是：
1.提高将烃原料加热到其分解温度的热效率；
2.改善将烃原料加热到其分解温度的均匀性，从而收窄产物性质(如固体碳颗粒形态)的分布；
3.减少反应器的结焦，减少对反应器的清洗，从而延长正常运行时间，在某些情况下，在反应器的整个使用寿命内实现真正的连续生产工艺；
4.改善烃原料的热分解产物的纯度和均匀性；
5.改进烃原料分解的反应器的通量和空速。
显然，本发明的特征对于热分解甲烷以生产氢气和固体碳是特别有利的，但是它们也适用于热分解或催化分解任何烃原料以生产固体碳、氢气或其他碳。
发明内容
本发明的目的和优点是通过对烃原料进行热化学分解的多级(multi-stage)分解反应器和分级(stage-wise)方法来提供的。所述热化学分解也称为热解、裂化或直接分解，通常用于烃，例如甲烷或天然气。所述分解是热分解，因为需要高温才能进行。通常还伴随着氢气的产生。可以使用任何烃原料，包括含有一种或多种烃的气体、液体或固体，如甲烷、丁烷、丙烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、天然气、液化石油气、石脑油、页岩油、木材、生物质、有机废流体、沼气、汽油、煤油、柴油、渣油、原油、炭黑油、煤焦油、粗煤焦油、苯、甲基萘、多环芳烃和其他此类烃。可以使用任何上述原料与其他烃原料的混合物，以及含有任何这些原料与其他原料的混合物如甲烷和氮气、甲烷和二氧化碳或甲烷和一氧化碳的混合物。优选的实施方式使用天然气或主要由甲烷组成的烃原料作为原料。
一个示例性的多级分解反应器具有用于将烃原料的供应流输送到多级分解反应器的装置或设备。在一些实施方式中，加热级接收供应流并将其加热至分解温度，从而产生烃原料的活化流。请注意，不存在催化剂时，甲烷或天然气的分解温度通常高于1000℃。通常，存在催化剂时，甲烷或天然气的分解温度高于400℃。因此，烃原料分解温度取决于所使用的烃原料以及反应器中使用的催化或非催化材料。催化材料包括元素周期表的第VIb族和第VIII族元素，如铁、镍、钴、贵金属、铬、钼、这些金属的合金，甚至含有这些金属的盐和氧化物，以及其他合适的催化材料。
在这些实施方式中，以特定方式调节物理长度(此处简称为加热级的长度)和加热级内的活化流的速率。具体地，对其进行选择或调节，使得在加热级内流体一旦被活化的加热停留时间短于烃原料在达到分解温度的平均分解开始时间，例如，在1％或更多的烃原料分解之前。这意味着，尽管烃原料已经达到它发生热解的分解温度，但它会在其任何显著部分(例如1％)发生分解之前离开加热级。
加热级之后是分解级。在分解级，活化流会减速。此外，分解级支持的分解停留时间长于在特定分解温度下的平均分解开始时间，该平均分解开始时间由烃原料和任何存在的催化剂所决定。这样就能使烃原料的热化学分解取得实质性进展。在一些实施方式中，分解级具有辐射加热设备或机构，用于将烃原料维持在足以在分解停留时间期间实现热化学分解的实质性进展的温度。当烃原料是甲烷或天然气时，这一点尤其重要，因为分解是吸热过程。
在一些实施方式中，分解级之后是分离级。在使用甲烷或天然气作为烃原料的情况下，分离级被设计用于分离碳产物并且还用于捕获氢气，氢气是从伴随热分解而进行的氢气生产中获得的。在烃原料由甲烷(CH4)组成的实施方式中，碳产物是固体碳。碳产品可以包括但不限于炭黑、碳纤维、石墨烯、金刚石、玻璃碳、高纯度石墨、碳纳米管、焦炭、活性炭或其他碳相或其混合物中的一种或多种。
在本发明的优选实施方式中，分解级具有腔体，优选为宽截面管的形式。宽截面管通常沿着水平方向延伸，并且装有熔融材料，例如熔融金属。分解级还具有用于以一定转速旋转宽截面管的装置或设备，例如合适的驱动和耦合机构。该旋转操作被设计用于通过使熔融材料清除沉积在壁(即宽截面管的内壁)上的碳，从而尽量地减少碳积聚以及清洁分解级。
宽截面管的转速可以变化。具体而言，转速可以是以下两种状态中的一种：在较高转速下的第一状态，或在较低转速下的第二状态。当在第一状态下以较高的转速转动或旋转时，熔融材料覆盖宽截面管内壁的至少大部分或整个暴露表面。当在第二状态中以较低的转速转动或旋转时，熔融材料聚集或积聚在宽截面管的内壁的底部。当在第二状态下以较低的转速旋转或转动时，熔融材料会收集或积聚在宽截面管的内壁底部。
或者，宽截面管具有多孔壁或穿孔壁，热惰性补充气体，如氮气(N2)、氩气(Ar)或氢气(H2)流过该壁以形成阻挡层。该热惰性补充气体的阻挡层防止了热分解的烃原料和宽截面管之间的接触。
在本发明的优选实施方式中，加热级具有窄截面管形式的腔体。这样的窄截面允许更好地调节活化流的期望加热停留时间。例如，窄截面管使得加热级能够将速率保持在超过100米/秒或更高。此外，为了实现有效的加热，加热级的窄截面管具有用于进行加热的电气装置或设备。合适的电气设备包括感应加热设备、电阻加热设备或微波加热设备。
在一些实施方式中，多级分解反应器还具有预热级。预热级位于加热级之前，并且被设计用于预热烃原料的供应流以产生基本均匀的预热流。预热温度可以在几百度的范围内，例如高达400℃。因此，预热温度仍保持低于分解温度，如前所述，分解温度通常高于1000℃。然而，请注意，甲烷的热分解在低于1000℃时会非常缓慢，但在存在催化剂的情况下，分解温度可能会低得多。例如，在超过400℃的温度下铁(Fe)作为甲烷分解的催化剂。
在多级分解反应器的一些实施方式中，加热级不会将温度上升到分解温度。相反，加热级被设计用于加热供应流，以产生低于分解温度或低于1000℃的非催化分解温度下的加热的烃原料流。在那些实施方式中，分解级将从加热级接收的供应流加热到分解温度以产生烃原料的活化流。活化流在分解级也会减速。此外，分解级确保活化流在其中的分解停留时间长于平均分解开始时间，以实现热化学分解的实质性进展或高产率。
优选地，在这些实施方式中，分解级具有容纳熔融材料的宽截面管，并且还具有用于旋转宽截面管的设备。同样地，该管以一定的转速旋转，以尽量地减少碳积聚和清洁分解级。转速可以处于第一状态或处于第二状态。此外，在这些实施方式中，内壁还可以设置有热惰性气体的阻挡层。
对烃原料进行热化学分解并产生氢气的分级方法涉及多个步骤。其中一个步骤涉及将烃原料的供应流输送到加热级。在加热级中进行的另一步骤是将供应流加热到分解温度以产生烃原料的活化流。在该方法的一些实施方式中，加热级实际上仅将供应流加热到低于分解温度的温度。在那些实施方式中，分解温度是在分解级内的后续步骤中达到的。
在加热级使烃原料的温度达到分解温度的实施方式中，在加热级中进行调节步骤。调节包括选择加热级的长度和活化流的速率，使得活化流在加热级的加热停留时间显著短于烃原料在分解温度下的平均分解开始时间。因此，尽管烃原料处于分解温度，但在加热级发生的分解极少。
在分解级进行减速。此外，分解级支持活化流的分解停留时间长于平均分解开始时间。
在优选的且任选的最后一步中，分离碳产物并捕获烃分解产生的氢气。实施该方法时优选在分解级提供宽截面管，并以选定的转速旋转该管以尽量地减少碳积聚和清洁分解级。
现在将参照附图在下文中对本发明(包括优选的实施方式)进行详细描述。
附图说明
图1A是根据本发明的多级分解反应器的三维图。
图1B是图1A的多级分解反应器的加热级和分解级的截面侧视图，以及温度分布。
图1C是图1A的多级分解反应器的加热级和分解级的截面侧视图，以及速率分布。
图1D是图1A反应器的加热级和分解级内部的透视图。
图2是说明了操作图1A的多级分解反应器的主要步骤的三维图。
图3是显示了不同调节的多级分解反应器的加热级和分解级的截面侧视图，以及速率分布和温度分布。
图4是显示了图1A反应器分解级的第一高转速状态的截面轴向视图。
图5A是显示了一个实施方式的截面轴向视图，其中从图1A的加热级的多个窄截面管流入反应器的分解级。
图5B是显示了一个实施方式的截面轴向视图，其中加热级的窄截面管是多边形的，而不是圆形的，布置在与图1A的反应器类似的反应器中。
图6是用于加热多级分解反应器的管壳式换热器的三维示意图，该反应器可类似于图1A的反应器。
图7是本发明多级分解反应器中生产的两种炭黑的照片。
具体实施方式
附图和以下描述仅以说明的方式涉及本发明的优选实施方式。应该注意的是，从下面的讨论中，可以很容易地认识到本发明所公开的结构和方法的替代实施方式，这些替代实施方式可以在不偏离所要求的本发明原理的情况下实施。
现在将详细介绍本发明的几个实施方式，其示例见附图。需要指出的是，在可行的情况下，图中可使用类似或相似的附图标记，并可表示类似或相似的功能。图中描述的本发明实施方式仅用于说明目的。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不偏离本文所述原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施方式。
图1A是根据本发明一个实施方式的多级分解反应器100的三维示意图。为了清楚起见，图1A着重显示了反应器100的主要部件及其总体布局或设计。首先介绍反应器100的总体设计，以便更好地了解和理解本发明的具体方面。
反应器100具有容纳烃原料104的供应源102。在本实施例中，烃原料104是甲烷(CH4)。事实上，任何以类似于甲烷或天然气的方式进行热化学分解(也称为热解、裂化或直接分解)的烃原料都是合适的。可以使用任何烃原料，包括含有一种或多种烃的气体、液体或固体，如甲烷、丁烷、丙烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、天然气、液化石油气、石脑油、页岩油、木材、生物质、有机废流体、沼气、汽油、煤油、柴油、渣油、原油、炭黑油、煤焦油、粗煤焦油、苯、甲基萘、多环芳烃和其他此类烃。可以使用任何上述原料与其他烃原料的混合物，以及含有任何这些原料与其他原料的混合物如甲烷和氮气、甲烷和二氧化碳或甲烷和一氧化碳的混合物。优选的实施方式使用天然气或主要由甲烷组成的烃原料作为原料。
还可能优选的是包括，在烃原料104中将碳材料如炭黑、活性碳、活性炭、C60、C70、碳纳米管、石墨片和其他碳材料接种到反应器100中。这样的种子材料的作用是将烃分解产生的碳接种成核并生长到碳种子材料上。
此外，应当注意的是，用于裂化烃原料的典型反应器可以包括纯化系统、分离系统或气化系统，以用于在热分解级之前纯化用于分解的烃原料、在热分解反应器之后分离和纯化热分解的产物。预处理的一个典型示例是天然气的脱硫。产物分离的典型示例是在甲烷热解过程中从氢气中分离固体碳的袋式除尘器系统。还可以包括将未反应的原料和热量从出口产物再循环到入口原料的系统。许多这样的系统对于本领域技术人员来说是众所周知的，并且这样的辅助系统可以与反应器100一起使用。此外，本文所用的烃原料104包括可能已经被辅助系统纯化、分离、混合或以其他方式作用的烃。
反应器100具有输送机构或装置106，用于将平稳或基本均匀的流(本文称为烃原料104的供应流108)输送到反应器100。更准确地说，供应流108被输送到属于反应器100的加热级112的入口110。在本实施方式中，加热级112具有窄截面管114，并且供应流108通过管114的入口110注入到窄截面管114中。由于管114将承受热负荷，因此管114由非常稳定且导热的材料制成，例如氧化铝、莫来石、石墨或碳化硅。
窄截面管114沿着加热级112的整个长度水平地延伸。加热级112终止于分解级118内的出口116，分解级118水平且同轴地延伸通过出口116。这可以通过加热级112中的剖开部分A看到，该剖开部分A的提供有利于更好的观察。
希望过热段中的加热级112以及分解级118(其中烃原料104达到最高温度)由非催化材料制成，例如氧化铝、莫来石、硅、碳化物、石墨、蓝宝石、钨、钽、二氧化硅、氧化锆和其他能够承受高于烃原料104的分解温度的温度的材料。这些非催化材料不应在加热级112或分解级118的表面上引起催化分解。具体而言，与反应器100中任何地方的烃原料104接触的催化材料应保持在比热分解温度低得多的温度下。对于甲烷原料和含有Fe、Ni或Co的材料，应将其保持在低于400℃的最高温度下。催化材料包括元素周期表的第VIb族和第VIII族元素，如铁、镍、钴、贵金属、铬、钼、这些金属的合金，甚至含有这些金属的盐和氧化物等。
在反应器100的入口处设置有三通管接头120。三通管120具有补充气体入口122，用于接纳补充气体126的流体124进入反应器100。在本实施方式中，补充气体126是氮气(N2)，由储存器128供应。甚至更优选地，补充气体126包括氩气(Ar)或氢气(H2)，以避免在分解级118中形成氰化氢。补充气体126的目的是利用其流体124推动烃原料104通过分解级118，并基本上防止其流回反应器100的上游部分和将碳沉积到反应器100入口段。更确切地说，不希望让烃原料104回流到反应器100，因为这些上游段可能没有熔融材料或补充气体壁构造，如与分解级118一起描述的，以尽量减少碳沉积。此外，上游的碳沉积可能损坏各个机构，包括下面描述的旋转机构。
三通管120还具有用于接纳窄截面管114的引入口130。围绕管114的密封件132设置在入口130处，以确保补充气体126的流体124被容纳在三通管120内并正确地前进至反应器100中。具体地，在该情况下，密封件132是由相应的配件134固定的垫圈(例如，O形垫圈)。
三通管120提供了进一步通向反应器100的出口136。出口136包围密封的阻挡管138，阻挡管138将补充气体126进一步输送到反应器100中。由于阻挡管138承受机械和热负荷，它应该由非常适合这些条件的材料制成，例如不锈钢或铬镍铁合金。描述的三通管120仅代表一种可能的机构，用于引导反应器100中的烃原料104的供应流108和补充气体126的流体124。在替代实施方式中(根据反应器100的总体设计，其中一些实施方式可能是更优选的)，补充气体126可以通过由多孔材料(如碳、碳化硅或另一种陶瓷)制成的扩散器供应，以产生更均匀的流体124分布。
在该实施方式中，阻挡管138包围窄截面管114，并且实际上与管114同轴。机械夹具140与机械支撑结构142一起稳定加热级112之前的阻挡管138。夹具140和支撑结构142应当提供足够稳固的安装，以允许随后的分解级118的旋转，如下文所详述的。
加热级112具有宽截面管144，该宽截面管114与阻挡管138同轴延伸并包围阻挡管138，阻挡管138又包围窄截面管114。对管144的机械和热要求很高，因此它应该由合适的材料制成，例如石英、氧化铝、莫来石、石墨或碳化硅。在本实施方式中，宽截面管144的安装允许其绕着中心轴线旋转。该轴线恰好与阻挡管138和阻挡管138内的窄截面管114的轴线重合。具体地说，轴承146安装在阻挡管138上并与宽截面管144的内壁接合，以支撑管144的旋转。应当注意，可以提供额外的轴承以实现管144的机械稳定旋转。然而，任何额外的轴承都必须安装在温度不超过其极限的位置，和/或应由热稳定材料制成。
在本实施方式中，提供了两个旋转驱动器148A和148B用于带动管144旋转。驱动器148A、148B靠在管144的外壁上。为了更好地接合，可以在驱动器148A、148B和管144的外壁上提供相应的传动装置(图1A中未示出)。尽管旋转方向是设计选择的问题，但在本示例中，驱动器148A、148B如箭头R所示逆时针旋转。
反应器100具有包围加热级112和分解级118的加热器150。在本实施方式中，加热器150是主要通过辐射提供加热的电加热器。换言之，电加热器150是辐射加热器。合适的电加热器包括电阻加热器、电感加热器和微波加热器。开启时，加热器150从其内表面向内发送辐射到加热级112和分解级118中。图1A示意性地示出了辐射152的发出。
如通过剖开部分A所见，阻挡管138在加热级112末端之前终止。具体地，阻挡管138的出口154明显位于窄截面管114的出口116的上游，通常在进入加热级112之前。因此，出口154被构造成在烃原料104离开出口116之前释放流过宽截面管144内的阻挡管138的补充气体126。
分解级118起始于窄截面管114的出口116处，并在宽截面管144的出口156处终止。在分解级118内，宽截面管144装有熔融材料158，例如熔融金属或熔融盐。熔融材料158在分解级118中的分布和移动受到重力以及管144的旋转D的影响。
在分解级118之后是分离级160。为了清楚起见，分离级160在图1A中部分用虚线表示。应当注意，出口156和分离级160之间，或者甚至在分离级160之后，也可以存在一些众所周知的级例如冷却级、淬灭级和/或传热级。为了清楚起见，并将重点放在本发明的主要方面，这里不显示这些级。
分离级160被设计用于分离碳产物162并且还用于捕获氢气164，氢气164来自伴随烃原料104热分解的氢气生产过程。在本实施方式中，烃原料104包含甲烷(CH4)，并且碳产物162是积聚在容器166中的固体碳。
图1B所示的加热级112和分解级118的截面侧视图示出了多级反应器100设计的几个重要方面。在图1B中，加热级112的末端与分解级118的起始用虚线C划分。图中显示，烃原料104的供应流108通过出口116离开窄截面管114进入分解级118。同时，补充气体126的流体124通过出口154从仍处于加热级112中的阻挡管138离开。
图1B显示了流经反应器100的关键部分(见图1A)的烃原料104的温度分布170。为了更直观，温度分布170沿着加热和分解级112、118的长度绘制或与其共同延伸。因此，更容易看到沿着反应器100的长度以均匀流体108移动的烃原料104在何处达到温度分布170中指示的温度。
在本发明的该实施方式中，来自电加热器150(见图1A)的辐射152足以加热烃原料104以达到分解温度Td，同时仍在窄截面管114内。更准确地说，热量通过窄截面管114的外壁传递，并通过传导传递到烃原料104。通过对流热传递，供应流108中的湍流加快了从管114的壁到烃原料104的热传递速率。
一旦达到分解温度Td，就认为烃原料104被活化。换言之，达到或高于分解温度Td时，烃原料104的热解或热化学分解就可以进行。因此，供应流108变成烃原料104的活化流108’(其中点撇符号表示活化流)。此外，温度分布170中明确标注了供应流108被充分加热以产生活化流108’的部分。请注意，分解温度通常高于1000℃，有时甚至高于1200℃。在这样的温度下，甲烷的平均分解开始时间tdec(定义为1％或更多甲烷分解之前的时间)约为千分之一秒到几秒。当温度升高到1600℃时，移动到更高的温度将使平均分解开始时间tdec降至低于千分之一秒。关于适用于本设备和方法的烃的热化学分解参数的信息可在以下文献中获得；参见M.Wullenkord，“甲烷热离解动力学参数的测定(Determination of KineticParameters of the Thermal Dissociation of Methane)”，博士论文，Lehrstuhl furSolartechnik(DLR),2012,https://publications.rwth-aachen.de/search？p＝id:％223885％22和S.Rodat等人，“管状太阳能反应堆中甲烷分解的动力学建模(Kineticmodelling of methane decomposition in a tubular solar reactor)”，《化学工程杂志(Chemical Engineering Journal)》，146(2009)，第120-127页。
图1C显示了流经反应器100的关键部分(见图1A)的烃原料104的理想速率分布172。在温度分布170的情况下，速率分布172也沿着加热和分解级112、118的长度绘制或与其共同延伸。因此，更容易看到烃原料104的供应流108沿着反应器100的长度流动时移动的速率v。
在本发明的该实施方式中，窄截面管114允许供应流108达到超过100米/秒的速率(v＞100m/s)。如图1C所示，该速率被认为在高速范围内。相比之下，如图1C所示，低速范围低于100米/秒(v<100米/秒)，优选明显低于100米每秒(v<<100米每秒)，如10米/秒或更低。事实上，在高于100m/s甚至高达1100m/s的高速v下实现均匀且快速的供应流108以及在窄截面管114内有效加热烃原料104对于本发明来说非常重要。这种高速范围和低速范围并不是绝对的，而是随温度的变化而变化。较高的分解温度要求较高的速率，而较低的分解温度则要求较低的速率。因此，速率范围可以根据所需的分解温度进行适当的调节。例如，在1000℃的分解温度下，高速范围可以是0.1m/s或更高，低速范围可以是0.01m/s或更低，而在1300℃分解温度下的高速范围可以为100m/s或更高，低速范围可能是10m/s或更低。
为了同时实现这些目标，要选择具有小内径或小截面的窄截面管114，例如，在1-30mm的范围内。在该截面范围内，可实现高速v以及有效的热传递。请注意，更高的速率是不太可取的，因为在1200℃的温度下，速率v≈1050m/s是在马赫1(at Mach 1)。如果没有会聚/发散喷嘴，支持更高的速率是不可能的，不过，如有必要，在管114中可以安装这种喷嘴。同时，由电加热器150(见图1A)产生的热量在1-30mm直径的管114中传递到烃原料104时，通常会通过管壁的传导热传递随后通过烃原料104内的对流热传递而快速发生，并通过湍流加速传递。
在图1B-C所示的条件下，窄截面管114的物理长度(在本实施例中为加热段112的长度)、管114的内径、输送的热量152以及供应流108的高速v表现出理想的联合效应。也就是说，这种调节确保了，一旦均匀供应流108由于烃原料104的加热而变成活化流108’，如图1B所示并且在温度分布170上用阴影部分明确示出，它就不会在管114中停留很长时间。供应流108的高速v保证了活性流108’(在图1C中明确标记为“短热停留时间”，并由速率分布172上的阴影线指示)在加热级112或管114内的短停留时间或加热停留时间thr。因此，该调节确保了在管114内仅发生烃原料104的非常有限的热解或热化学分解。更具体地说，选择或调节上述参数，使得活性流108’在加热级112内的加热停留时间thr明显短于(例如，10倍或更小)在管114内获得的分解温度Td下的烃原料104的平均分解开始时间tdec。甲烷或天然气在加热级112的过热部分中的停留时间优选但不严格限制为0.000001至1秒。同样，这意味着尽管烃原料104已经达到其进行热解的分解温度Td，但它将在任何显著部分(例如其1％)进行分解之前通过出口116离开加热级112。这也意味着在管114内只会发生有限的在加热表面上的碳沉积或结焦。这些条件有利于抑制分解并允许以低能量成本获得高产量的烃原料104。
加热级112之后是分解级118，其中烃原料104仍在高于分解温度Td的活化流108’中行进。同样，这在图1B中可以清楚地看到，其中活化流108’被明确标记在温度分布170上。在分解级118内，烃原料104明显保持活化状态，因此在相当长的时间或距离内都在经历热解。
然而，重要的是，如图1C中的速率分布172所示，在分解级118内部，活化流108’减速。例如，在不到1米的范围内，活化流108’减速，其速率v进入低于100米/秒的低速范围。从这里开始，速率v继续迅速下降到仅几米/秒。由于此减速，在其温度仍高于分解温度Td时，活化流108’在分解级118中花费的时间量将更长。具体地说，相对于活化流108’中的烃基本分解(即实现>90％的分解)所需的时间，该时间或周期(本文称为分解停留时间tdr)更长。分解停留时间tdr在1500℃时约为0.1s，在1200℃约为10s，甚至更长。分解停留时间tdr在图1C中参照速率分布172进行了明确标记。注意，甲烷和天然气在分解级118中的停留时间优选但不严格地限于0.0001至100秒。
事实上，速率分布172的交叉阴影线区域指示了存在这些有利条件的位置，这些有利条件用于在分解级118内实现烃原料104的热化学分解的实质性进展。换言之，分解级118支持比平均分解开始时间tdec长的分解停留时间tdr，即tdr＞tdec。这样，烃原料的热化学分解和氢气生产就能取得实质性进展。
现在，分解级118可以被构造成以多种方式实现活化流108’的快速减速。最方便的是，当选择分解级118的体积远大于加热级112的体积时，可以获得减速。在本实施方式中，活化流108’的减速是通过分解级118的宽截面管144的内径比窄截面管114的内径大得多而实现的。例如，宽截面管144的内径是窄截面管114的内径的100倍(100×)以上。假定在本示例性实施方式中，管114的内径为1到30mm，管144的适当内径至少为10到300cm。体积流率Q等于流速v乘以截面积Ac。对于管，截面积Ac与半径的平方乘以π有关，换言之：Q＝Ac×v＝πr2v。求解速率v的方程得出：因此，当管的直径从2mm增加到20mm时，流速降低约100倍(100×)。应当注意，这是平均流速，并且在分解级118的中间部分流动将更快，而在宽截面管144的内壁附近流动将更慢。本领域技术人员将能够根据这些一般关系确定任何特定情况下的减速，并通过应用本领域已知的标准流体建模软件包来获得更精确的结果。
图1D示出了以上述方式调节的多级反应器100的分解级118的其他重要方面。更具体地，图1D是更详细地示出了在加热级112末端处的分解级118的内部和窄截面管114的出口116的透视图。加热级112和分解级118之间的过渡同样由虚线C划分，如图1B-C所示。
在图1D中，可以看到分解级118中的熔融材料158积聚在宽截面管144的内表面145的底部。如上所述，熔融材料158可以是熔融金属或熔融盐，碳在其中的溶解度较低。事实上，合适的熔融材料158可以选自熔融金属，例如Fe、Co、Ni、Sn、Bi、Al、In、Ga、Cu、Pb、Zn、Mg、Sb、Si、Pd、Pt、Rh，或者金属合金，例如Ni-Ga、Cu-Ga、Fe-Ga、Cu-Sn、Ni-Sn、Ni-Bi、Fe-Bi、Ni-Sn、Ni-Pb等。此外，熔融材料158可以选自盐，例如NaCl、NaBr、KCl、KBr、LiCl、LiBr、CaCl2、MgCl2、CaBr2、MgBr2、ZnCl2。熔融材料158可以是这些材料中的任何材料的合金或混合物，或者熔点低于2000℃的任何材料，尤其是熔点在0℃至2,000℃之间，汽化点高于500℃至2000℃的材料。熔融材料158可以优选地包含低熔融温度的“主体”或“载体”材料，所述材料包括但不限于铟、锌、铝、锡和铅，以及催化烃分解的“催化剂”材料，所述“催化剂”材料包括但不限于含金属(如Co、Ni、Fe、Cr、Mo和贵金属)的碳产物或单质、合金、氧化物和盐，如Desai等的美国专利号US10,851,307B2和Desai等的美国专利号US2020/0002165 A1中所述的。此外，熔融材料158可包含种子碳材料，如炭黑、活性碳、活性炭、C60、C70、碳纳米管、石墨片和其他碳材料，以使烃分解产生的碳在碳种子材料上接种成核和生长。
由于管144的旋转，如箭头D所示，在反应级118中，熔融材料158在管144的内表面145上滑动，如箭头S所示。在本实施方式中，管144的转动保持在低速(包含在第二状态中)。转速可以用角速率ω表示，ω由以下力平衡公式得出：
F＝mg＝mrω2
在此公式中，m是熔融材料158的质量，g是重力常数。角速率ω通过将旋转速率D表示为每秒的旋转弧度得出。半径r是从管144的中心到内表面145测量的，如图1D所示。为了避免明确提及质量(抵消)，还可以从无量纲的弗鲁德数(Fr)中获得所需角速率ω，公式如下：
从这些公式中可以得到反应器100中管144的适当角速率ω。管144的旋转速率有两种主要的状态，在低速状态下(也称为第二状态)，弗劳德数低于1，熔融材料158基本上沿管子144的底部停留，因为熔融材料158所受到的离心力不足以克服重力。在高速状态下(也称为第一状态)，弗劳德数大于或等于1，使作用在熔融材料158上的离心力克服重力，使得熔融材料158能够覆盖管144的内表面145。如图4所示，为了在内表面145上形成熔融材料158的均匀涂层，弗劳德数必须>>1。在Fr>1的高速条件下，熔融材料158可尽量地减少或防止内表面145上的碳堆积，从而有效地最小化反应器100的堵塞。积聚在熔融材料158上的碳会随着流出的气体通过出口156流出反应器100。
在Fr<1的低速状态下，熔融材料158仅位于管144的底部。在表面145上移动时，熔融材料158有效地起到连续拖洗的作用，去除在烃原料104的热化学分解反应期间产生的碳162。这也尽量地减少了碳在内表面145上的积聚，从而大大减少了反应器100的堵塞。
作为视觉帮助，在反应级118中发生的热化学分解反应本身在图1D中通过附图标记174示意性地指示。注意，产生碳162的分解反应也伴随着氢气164的产生。现在，随着反应174的进行，碳162将积聚在管144的内壁或表面145上。然而，有利的是，当管144旋转时，液态金属或盐158清理碳162的沉积物。然后，这些沉积物作为块或薄片由流出的气体携带从反应级118排出。
回过头来看图1A，氢气164和碳162都在分离级160被捕获。分离级160依靠重力分离将碳162收集到容器166中。这部分分离可采用本领域已知的袋式除尘器。与此同时，从分解级118出来的任何剩余烃原料104都将通过适当的膜与氢气164分离，并对氢气164(H2)进行H2纯化，这也是本领域已知的技术。
图2以三维图示出了根据本发明的几个方面操作图1A的多级分解反应器100所涉及的主要步骤。具体而言，重要的是操作反应器100以确保调节在加热级112中将结焦降至最低，以及在分解级118中伴随熔融材料158的清洁作用，使热化学分解取得实质性进展。
在操作期间，供应流108由供应调节单元200调节，以确保烃原料104以足够的速率进入反应器100。尽管在加热级112中发生的加热将起到加速流体108的作用，如图1C的速率分布172所示，初始流速仍应设置得足够高，以确保活化流108’在加热级的窄截面管114内经过较短的加热停留时间thr。如上所述，这是确保在管114内仅发生烃原料104的非常有限的热解或热化学分解的一部分调节。同样，这还通过保持加热级112内的活性流108’的加热停留时间thr明显短于烃原料104在管114内达到的分解温度Td下的平均分解开始时间tdec来实现。优选地，供应流108可由供应调节单元200连续调节，从而相应地改变速率分布172(见图1C)，并确保维持短加热停留时间thr条件；从而防止了在窄截面管114的内壁上的结焦。
反应器100具有补充气体调节单元202，用于控制补充气体126的流体124。重要的是，当补充气体126进入加热级118以形成阻挡层124’时，流体124足以帮助补充气体126发挥作用。如上所述，热惰性补充气体126的阻挡层124’的功能之一是防止热分解的烃原料104和宽截面管144之间的接触。在本文中，惰性气体是指不与管壁145反应并且优选不与待分解的烃原料104反应的任何气体。
事实上，作为旋转管144内的熔融材料158的代替，加热级112的出口116可以终止于分解级118内。这里，补充气体126的移动壁可以通过沿着分解级118形成移动气体壁来代替旋转管144内的熔融材料158。值得注意的是，这种方法类似于Matovich的美国专利号4059416、Schramm的美国专利号4643890A和Weimer等人的美国专利号6872378中描述的反应器。
在本发明的该实施方式中，阻挡层124’由补充气体126(例如，氮气(N2)、氩气(Ar)或氢气(H2))流出阻挡管138时的流体124构成。阻挡层124’在分解级118内沿着管144的内壁145形成。补充气体调节单元202控制补充气体126的流体124，确保其流速和体积足以形成阻挡层124’并且是有效的。
在使用阻挡层124’的实施方式中，烃原料104的活化流108’流入的宽截面管144的内壁145是多孔的或穿孔的。多孔壁145允许补充气体126流过。因此，通过防止热分解烃原料104和管144之间的接触，碳沉积基本上被最小化，并且避免了分解级118的堵塞。
在先前的工作中，JM Huber公司在美国专利4643890中发现，穿孔气体壁优选于微孔气体壁，如专利4059416中所描述的，这样可以使更高径向速率的气流进入分解区。在该现有工作中，与本实施方式不同，进入的气流需要达到双重目的，既要防止碳在反应器壁上沉积，又要为烃原料提供热量。
在本发明中，由于反应器100包括加热器150和加热级112，在加热级112中使烃原料104达到或高于分解温度Td，流过管144的壁145的补充气体126的主要功能是尽量减少壁145上的沉积，而不是为烃原料104供热。这使得能够以显著较低的补充气体126的消耗水平使用微孔壁145。这反过来又提高了本发明设计中的反应器经济性。
在实践中，反应器100的加热器150有多个窄管通入分解级118，如图5A的截面图所示。图5B表明，加热级的窄截面管可以具有多边形形状，而不仅仅是圆形截面形状。此外，加热级112可以类似于管壳式换热器，如图6所示。在图6所示的管壳式换热器构造中，多个管114平行布置在外壳内部，在外壳内部燃烧天然气或氢气等气体以产生热量，该热量传递到管114，然后传递到在管114内部流动的烃原料。在该实施方式中，可以使用挡板来改善燃烧气体和管子之间的热传递，燃烧气体反应物和产物的入口和出口将与管壳式换热器的管入口和出口分开。
优选的是，加热级112由电加热器150通过电阻加热或感应加热来加热，以尽量减少燃烧烃燃料产生的二氧化碳排放。然而，在电价高和/或不连续的情况下，氢气或烃燃料可以在氧化剂(如空气或纯氧)的存在下燃烧，以产生热量，将流经加热器150的烃原料104加热到分解温度Td或加热到高于分解温度Td。预加热和/或过热步骤也可以使用加热器150进行，加热器150使用等离子体(热或非热)、微波能或其他适合实现烃原料的分解的能量输入。
合适的加热调节单元204(取决于加热器150的类型)与加热器150相连，以控制在加热级112和分解级118中输送的能量或热量。同样，由加热器150输送的热量由单元204调整，以保持反应器100如上所述的调节。在所示的实施例中，加热器150是电加热器，因此单元204通过提供电流来控制其输出。优选地，加热器150允许单元204调整沿反应器100的长度在不同级输送的能量或热量。换言之，优选地，可以为加热级112和分解级118设定不同的热量。这种灵活性可以确保对反应器100的上述调节进行更好的控制。
此外，反应器100具有旋转控制单元206，其控制旋转驱动器148A、148B的旋转的速度或速率R。在本实施方式中，宽截面管144的截面是恒定的，因此两个驱动器被锁定以相同的旋转速率R旋转。在管144的截面沿着反应器100的长度变化的实施方式中旋转速率将不同。在任何情况下，如上所述，旋转速率R使得在第一范围(Fr<1的低速状态)或在第二范围(Fr>1的高速状态)中产生管144的旋转D。
所有的供应和控制单元200、202、204、206可以由合适的协调单元(未示出)协同操作。在单元200、202、204、206及其动作由中央或协调单元协调的实施方式中，可以使用反馈来进一步改进操作并确保根据本发明的反应器100的有效调节。
在一些实施方式中，多级分解反应器100还具有预热级。预热级未在图1A或图2中显示。当存在时，预热级被置于加热级112之前，并且被设计用于预热烃原料104的供应流108以产生基本上均匀的预热流。预热温度可以在几百度的范围内，例如高达400℃。因此，如前所述，预热温度保持在低于分解温度Td，分解温度Td通常高于1000℃。
图3是显示了不同调节的多级分解反应器的加热和分解级的截面侧视图，以及速率分布和温度分布。为了清楚起见，使用相同的数字来表示如图1至2所示的反应器的相应元件。
在图3的实施方式中，反应器的调节方式不是通过加热级112将窄截面管114内的烃原料104的温度升高到分解温度Td。相反，加热级112被设计用于加热供应流108，以产生低于分解温度Td或低于1000℃(对于非催化的情况)的烃原料104的加热流。在加热级112中输送到烃原料104的热能152的量保持在不足以将其加热到分解温度Td的水平。因此，烃原料104供应流108在窄截面管114内时不会如在先前实施方式中所做的那样形成活化流108’。
在这些实施方式中，是分解级118将从加热级112接收的供应流108加热到分解温度Td以产生烃原料104的活化流108。为了实现这一点，增加了在分解级118中输送到烃原料104的热能152的量。因此，供应流108在离开管114之后不久转变为活化流。由虚线G指示了供应流108变活化并变为活化流108’的沿着分解级118的长度的点。虚线G也向下延伸到温度分布170，在此直接在温度分布170的曲线上划定了向活化流108’的转变(也由阴影线明确表示)。
虚线G进一步向下延伸到速率分布172，其中速率分布172中存在活化流108’的部分用交叉阴影线表示。正如在之前的实施方式中一样，活化流108’在分解级118中经历的减速确保了较长的分解停留时间。因此，在分解级118中实现了烃原料104的热化学分解的实质性进展。
在本发明的上下文中，分解温度Td是烃原料104的非催化或催化分解温度。如果不存在催化剂，则取分解温度Td为烃原料104的非催化分解温度。对于甲烷或天然气而言，这一温度约为1000℃。如果在熔融材料158中、加热级112的窄截面管114中、分解级118的管144的壁中或作为氢原料104本身的种子材料存在催化剂，则取分解温度Td为烃原料104的催化分解温度。对于甲烷或天然气而言，这一温度约为400℃。因此，烃原料104的分解温度Td取决于所使用的烃原料104以及反应器100中使用的催化或非催化材料。催化材料包括元素周期表的第VIb族和第VIII族元素，如铁、镍、钴、贵金属、铬、钼、这些金属的合金，甚至含有这些金属的盐和氧化物，以及其他合适的催化材料。本领域技术人员将认识到，反应器100的调节将根据分解温度Td来调整。
尽管上述实施方式主要采用各种电气元件进行所需的加热，即使用感应、电阻或微波加热手段，但本发明中也可以使用燃烧。图6是根据本发明的管壳式换热器300的三维示意图，该换热器可以作为加热级部署在多级分解反应器的替代实施方式中。或者，管式换热器300可以集成在如上所述的多级反应器中，例如，参考图1A。
图6所示为换热器300的重要内部部件。换热器300具有圆柱形的主管302，该主管302具有入口304和出口306。多个圆形窄截面管308被布置成穿过主管302的中心部分。在本例中，示出了四个窄截面管308A-D，但是这些管的数量可以从仅一根到多于四根不等。
每根管308A-D被设计成携带烃原料312的供应流310通过换热器300。为清楚起见，仅明确指示了通过管308A的烃原料312的供应流310。再一次，在该示例性实施方式中，烃原料312是甲烷(CH4)。
借助于挡板314，主管302的内部被分隔成多个区域。图中仅示出了四个挡板314。本领域技术人员将意识到，可以使用更多或更少的挡板314，以便能够根据上述原理实践本发明。
在操作期间，入口304引入输入燃烧器的热燃烧气体流316，该热燃烧气体流316加热通过管308A-D的烃原料312的供应流310。出口306从换热器300释放冷却的燃烧气体318。
流体316将流体310加热到如前所述设置的温度。即，计算输入流316，使得供应流310达到分解温度并转变为活化流310’。同时，活化流310’在管308A-D中的速率要足够高，使得活化流310’在加热级的加热停留时间明显短于原料312的平均分解开始时间。
图7是通过改变分解步骤在根据本发明的多级分解反应器的两次不同运行中形成的更无定形和更石墨化的炭黑的照片。应当理解，反应器的不同热分解参数允许用户调节所产生的炭黑的类型。本领域技术人员将进一步理解，在任何特定情况下，温度、活化流的流速和停留时间的调节将允许操作者对所需炭黑产品的类型进行精调。
对本领域技术人员来说显而易见的是，本发明允许多种其他实施方式。因此，其范围应根据权利要求及其法律等同方式来判断。

Claims (20)

1.一种用于烃原料的热化学分解的多级分解反应器，所述多级分解反应器包括：
a)用于将所述烃原料的供应流输送到所述多级分解反应器中的装置；
b)加热级，所述加热级的腔体用于将所述供应流加热到分解温度以产生所述烃原料的活化流，其中，对所述加热级的长度和所述活化流在所述加热级中的速率进行调节，使得所述活化流在所述加热级中的加热停留时间显著短于所述烃原料在所述分解温度下的平均分解开始时间；和
c)分解级，所述分解级支持的所述活化流的分解停留时间长于所述平均分解开始时间，以实现所述热化学分解的实质性进展。
2.如权利要求1所述的多级分解反应器，其中所述分解级包括：
a)宽截面管，所述宽截面管装有熔融材料；
b)以预定转速旋转所述宽截面管的装置，从而尽量地减少碳积聚并清洁所述分解级。
3.如权利要求2所述的多级分解反应器，其中，所述预定转速处于第一高速状态，使得所述熔融材料至少覆盖所述宽截面管的内壁的大部分。
4.如权利要求2所述的多级分解反应器，其中，所述预定转速处于第二低速状态，使得所述熔融材料大量积聚在所述宽截面管的内壁的底部。
5.如权利要求1所述的多级分解反应器，其中，所述分解级包括宽截面管，所述宽截面管具有多孔或穿孔内壁，所述内壁允许热惰性气体流过，从而形成阻挡层，用于防止所述热分解烃原料与所述宽截面管之间的接触。
6.如权利要求1所述的多级分解反应器，还包括在所述加热级之前的预热级，所述预热级对所述烃原料的供应流进行预热，以产生温度低于所述分解温度的所述烃原料的基本上均匀的预热流。
7.如权利要求1所述的多级分解反应器，其中所述烃原料大体上包含甲烷或天然气，并且所述碳产物包含固体碳。
8.如权利要求1所述的多级分解反应器，其中，所述加热级的所述腔体包括窄截面管，用于将所述活化流的所述速率保持在超过10米/秒。
9.如权利要求1所述的多级分解反应器，还包括用于所述加热级和所述分解级中的至少一个的加热装置，所述加热装置选自感应加热装置、电阻加热装置、热等离子体、非热等离子体、微波加热装置和燃烧加热装置。
10.一种用于烃原料的热化学分解的分级方法，所述方法包括：
a)将所述烃原料的供应流输送至具有腔体的加热级；
b)在所述加热级中将所述供应流加热至分解温度，以产生所述烃原料的活化流；
c)调节所述加热级的长度和所述活化流在所述加热级中的速率，使得所述活化流在所述加热级中的加热停留时间显著短于所述烃原料在所述分解温度下的平均分解开始时间；以及
d)在分解级支持所述活化流的分解停留时间长于所述烃原料在所述分解温度下的平均分解开始时间。
11.如权利要求10所述的分级方法，其还包括：
a)为所述分解级提供装有熔融材料的宽截面管；
b)以预定转速旋转所述宽截面管，从而尽量地减少碳积聚并清洁所述分解级。
12.如权利要求10所述的分级方法，其还包括：
a)为所述分解级提供具有多孔或穿孔壁的宽截面管；
b)提供热惰性气体的缓冲流，以形成防止所述烃原料与所述宽截面管之间接触的阻挡层。
13.一种用于烃原料的热化学分解的分解反应器，所述分解反应器包括：
a)用于接收烃原料流的分解级，所述分解级具有宽截面管，所述宽截面管装有熔融材料；
b)以预定转速旋转所述宽截面管的装置，从而尽量地减少碳积聚并清洁所述宽截面管。
14.如权利要求13所述的分解反应器，其中，所述预定转速处于第一高速状态，使得所述熔融材料至少覆盖所述宽截面管的内壁的大部分。
15.如权利要求13所述的分解反应器，其中，所述预定转速处于第二低速状态，使得所述熔融材料大量积聚在所述宽截面管的内壁的底部。
16.如权利要求13所述的分解反应器，其中所述熔融材料选自熔融金属和熔融盐。
17.如权利要求13的分解反应器，其中用于所述烃原料的所述热分解的能量由选自以下的加热装置提供：感应加热装置、电阻加热装置、热等离子体、非热等离子体、微波加热装置或燃烧加热装置。
18.如权利要求13所述的分解反应器，其中，所述烃原料在从室温到基本上低于所述烃原料的分解温度的温度范围内被输送到所述宽截面管。
19.如权利要求13所述的多级分解反应器，其中所述烃原料是气态烃，并且所获得的碳产物大体上包含固体碳。
20.如权利要求13所述的分解反应器，其中所述热化学反应是热解，并且所述热解保持在缺氧环境中。
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