JP2022526971A - 吸熱高温反応用の反応器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明は、吸熱反応、特に高温反応を実施するための反応器（１）に関する。該反応器において、生成ガス（Ｐ）は供給ガス（Ｅ）から得られ、反応器（１）は反応器内部（１０）を取り囲み、反応器（１）は、反応器内部（１０）の反応帯域（１２）に反応器床（１２０）を設けるように構成されており、反応器床は多数の固体材料粒子（Ｆ）を含み、反応器（１）はまた、供給ガス（Ｅ）を反応帯域（１２）に導くように構成されており、供給ガス（Ｅ）を加熱するために、反応器（１）は、反応帯域（１２）の固体材料粒子（Ｆ）を加熱するように設計されており、これにより、固体材料粒子（Ｆ）から供給ガス（Ｅ）に熱を伝達することによって、反応帯域（１２）の供給ガス（Ｅ）を反応温度まで加熱して、生成ガス（Ｐ）を生成するための吸熱反応において出発生成物として関与できるようにし、反応器内部（１０）はまた、第１の熱統合帯域（１１）を含み、第１の熱統合帯域において、反応帯域（１２）で生成された生成ガス（Ｐ）からの熱を、反応器床（１２０）の固体材料粒子（Ｆ）に伝達することができ、固体材料粒子を反応帯域（１２）に導くことになり、反応器内部（１０）はまた、第２の熱統合帯域（１３）を含み、第２の熱統合帯域において、反応帯域（１２）から来る反応器床（１２）の固体材料粒子（Ｆ）からの熱を、供給ガス（Ｅ）に伝達して、供給ガス（Ｅ）を予熱できるようにしている。本発明はまた、本発明による反応器（１）を使用する方法にも関する。【選択図】図１

Description

本発明は、吸熱高温反応用の反応器に関するものであり、例えば、炭化水素含有供給ガス流（例えば、メタンを含む）の水蒸気改質を行うための反応器、又は例えば、エタンのクラッキング若しくは熱クラッキングを行うための反応器、又は例えば、天然ガス（例えば、メタンを含む）の熱分解を行うための反応器に関するものである。

化石燃料は、熱エネルギーが生成されるように、例えば、間接的な熱伝達によってそれぞれの供給流又はプロセスガスが加熱されるように、エタンクラッキング又はメタンの水蒸気改質用の炉又は反応器で燃焼される。化石燃料を燃焼させることにより、必然的にＣＯ_２排出物が生成される。エネルギー効率は、概ね、燃焼用空気を予熱すること、供給物を予熱すること、及び／又は高温のプロセスガスの熱をボイラの供給水に伝達してプロセス蒸気を生成することによって高められる。

確立された先行技術の代替として、米国特許第２，９８２，６２２号では、例えば、水素及び高品質コークスを製造する方法を開示している。該方法では、不活性固体材料粒子をバルク材料として、重力方向に細長い反応帯域を通過させ、０．１～１０００ボルト／インチの電気電圧を反応帯域の固体材料塊の少なくとも一部分にわたって印加し、電圧を十分にして、固体の温度を１８００°Ｆ～３０００°Ｆ（９８０℃～１６５０℃）まで上昇させる。炭化水素、好ましくは天然ガスのガス流が向流で導かれ、このガス流は吸熱熱分解反応によって水素を生成し、導入された粒子に炭素を付着させる。
ＣＨ_４＜－＞Ｃ（ｓ）＋２Ｈ_２．

固体及び気体が向流の状態になることで、熱統合が可能になり、高い方法効率を促進する。再生可能エネルギーによる電流を利用した場合、オーム直接電気加熱にすることで、化石加熱を省くことにより、水素生成方法のＣＯ_２バランスを改善することができる。

しかし、この点に関して、気相から分離した炭素は、不活性固体材料粒子の注入性（ｐｏｕｒａｂｉｌｉｔｙ）を低下させ、長時間の操作後にはバルク材料のブロッキングを引き起こし、このようなプロセスの経済効率を著しく制限することが調査に基づいて判明した。

そこから始めて、本発明の目的は、吸熱反応の化石加熱を省き、同時に反応器の効率的な操作を可能にする改良型反応器を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する反応器によって達成される。本発明の有利な実施形態は、関連する従属請求項に規定されており、以下に説明される。

吸熱反応、特に高温反応を実施するための反応器では、反応器において生成ガスが供給ガスから得られ、反応器は、好ましくは３つの帯域、すなわち第１の熱統合帯域、反応帯域、及び第２の熱統合帯域に分割される反応器内部を取り囲む。反応器は、重力方向に移動床を導くように構成されており、移動床は複数の固体材料粒子からなり、固体材料粒子は、反応器の上端部に添加され、反応器の下端部で取り出され、反応器は、反応帯域を通して供給ガスを導くように更に構成されており、供給ガスを加熱するための反応器は、反応帯域の固体材料粒子を（例えば、固体材料粒子に電流を発生させることによって、すなわち、固体材料粒子にジュール熱を発生させることによって）加熱するように構成されており、これにより、固体材料粒子から供給ガスに熱を伝達することによって、反応帯域の供給ガスを反応温度まで加熱して、生成ガスを生成するための吸熱反応において出発生成物として関与できるようにし、反応器内部はまた、第１の熱統合帯域を含み、第１の熱統合帯域では、反応帯域で生成された生成ガスからの熱を反応器床の固体材料粒子に伝達することができ、固体材料粒子を反応帯域に導くことになり、内部はまた、第２の熱統合帯域を含み、第２の熱統合帯域では、反応帯域から来る反応器床の固体材料粒子からの熱を供給ガスに伝達して、供給ガスを予熱できるようにしている。

反応器の一実施形態によれば、移動床の固体材料粒子を加熱するための反応器が、第１の電極及び第２の電極を含み、特に第１の電極は、内部の第２の電極の上方に配置され、特に２つの電極は各々、固体材料粒子、供給ガス、及び生成ガスに対して透過性を有することが提供される。すなわち、２つの電極は、固体材料粒子の流動性が損なわれず、固体材料粒子、供給ガス及び生成ガスが反応器内部の電極を通過することができるように配置又は構成されている。

反応器の一実施形態によれば、第１及び／又は第２の電極は、反応器内部を通して延びる１つ以上の支柱を含み得る。

更に、一実施形態によれば、第１の電極がグリッドを含むか、又はグリッドによって形成されていることが提供される。更に、第２の電極はまた、グリッドを含んでいてもよく、グリッドによって形成されていてもよい。

更に、本発明の一実施形態によれば、第１の電極及び／若しくは第２の電極（又は、第１の電極及び／若しくは第２の電極のそれぞれの支柱若しくはグリッド）が、以下の材料、すなわち、耐高温性鋼、Ｎｉを含む鋼合金（例えば、Ｃｅｎｔｒａｌｌｏｙ Ｇ ４８５２ Ｍｉｃｒｏ Ｒ）、ニッケル系合金、炭化ケイ素、二珪化モリブデン、黒鉛のうちの１つを含むか、又はこれらの材料のうちの１つからなることが提供される。

原則として、耐高温性（高温での化学的及び機械的安定性）及び可能な限り高い電気伝導率を特徴とする材料が好ましい。黒鉛の場合、水蒸気の存在及び高温下での化学的安定性は、例えば保護コーティングによって改善することができる。

また、一実施形態では、電極、電極への電気供給、及び移動床が反応器の圧力ジャケットに対して電気的に絶縁されていることが提供される。これは、例えば、電気的にわずかに伝導性の高温ライニングによって、例えばＡｌ_２Ｏ_３又はＺｒＯ_２で作製されたものによって達成される。

更に、本発明の一実施形態では、反応器が、固体材料粒子を加熱するために、２つの電極間に直流電圧を供給又は印加するように構成されていることを提供する。

反応器の一実施形態では、更に、反応器は固体材料粒子入口を有し、固体材料粒子入口を介して、固体材料粒子を第１の熱統合帯域に導入することができ、その結果、固体材料粒子を、第１の電極を通して反応帯域に導けるように、また第２の電極を通して第２の熱統合帯域に導けるようにすることを提供する。

反応器の一実施形態では、更に、反応器が固体材料粒子出口を有し、固体材料粒子出口（例えば、セルラーホイールスルース）を介して、固体材料粒子を第２の熱統合帯域から取り出せることを提供する。これは、移動床の移動速度又は質量流量の決定的な制御要素である。

反応器の一実施形態では、更に、反応器が供給ガス入口を備え、供給ガス入口を介して、供給ガスを、第２の熱統合帯域に導入することができ、第２の熱統合帯域から第２の電極を通して反応帯域に導入できることを提供する。

反応器の一実施形態では、更に、反応器が生成ガス出口を有し、生成ガス出口を介して、反応帯域で生成された生成ガスを、第１の熱統合帯域から取り出せることを提供する。

反応器の一実施形態では、更に、反応器が、移動床の形態で重力によって駆動される、第１及び／又は第２の熱統合帯域の固体材料粒子を導くように構成されていることを提供する。

反応器の更なる実施形態によれば、反応器は、移動床の形態で重力によって駆動される、反応帯域の固体材料粒子を導くように構成されていることが提供される。

反応器の一実施形態では、更に、反応器の反応帯域が反応帯域に面する内側面を含む反応器の周壁部によって区切られ、この内側面は円錐形の設計のため、反応帯域が垂直方向に上方に向かって先細になっていることを提供する。一実施形態によれば、内側面は、反応帯域の水平断面と角度を形成することができ、角度は、好ましくは８５°～８９．５°、好ましくは８７°～８９°の範囲である。

本発明の更なる態様は、本発明による反応器を用いて、供給ガスから生成ガスを得るための吸熱反応を実施するための方法に関する。
複数の固体材料粒子を、第１の熱統合帯域に導いて、第１の熱統合帯域から反応帯域に導き、
固体材料粒子を、反応帯域で加熱し、
固体材料粒子を、反応帯域から第２の熱統合帯域に導き、第２の熱統合帯域から取り出し、
供給ガスを、第２の熱統合帯域に導入して、第２の熱統合帯域から反応帯域に導入し、第２の熱統合帯域の供給ガスを、反応帯域から来る固体材料粒子に対して加熱して、固体材料粒子を冷却し、反応帯域の供給ガスを加熱された固体材料粒子と接触させ、加熱された固体材料粒子からの熱を供給ガスに伝達し、反応帯域の供給ガスを加熱するようにし、反応帯域の供給ガスを、生成ガスを生成することによって、反応において出発生成物として関与させ、
生成された生成ガスを、反応帯域から第１の熱統合帯域に導き、第１の熱統合帯域の固体材料粒子を、反応帯域から来る生成ガスに対して予熱して、生成ガスを冷却し、
生成ガスを、第１の熱統合帯域から取り出す。

一実施形態による方法では、固体材料粒子は、好ましくは再循環される。すなわち、特に、第２の熱統合帯域から取り出された固体材料粒子は（場合によっては固体材料粒子の中間処理後に）第１の熱統合帯域に戻される。

本方法の更なる実施形態によれば、供給ガスは、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と共にエタン（Ｃ_２Ｈ_６）であり、この供給ガスは、反応帯域において、好ましくは約８５０℃～１２５０℃の温度及び１～５バール（ａ）の圧力で、生成ガスとしてエテン（Ｃ_２Ｈ_４）及び水素（Ｈ_２）に変換され、例えばコランダム（Ａｌ_２Ｏ_３）で作製されたセラミック球が、固体材料粒子として使用される。

本方法の更なる実施形態によれば、吸熱反応は、水蒸気改質である。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２、
式中、供給ガスとしてのメタン（ＣＨ_４）は、反応帯域（好ましくは約９５０℃～１２５０℃の温度、及び１０バール（ａ）～１００バール（ａ）の圧力（好ましくは、１５バール（ａ）～５０バール（ａ）の圧力）で、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と共に反応して、一酸化炭素及び水素を生成ガスとして形成し、例えば、コランダム（Ａｌ_２Ｏ_３）で作製されたセラミック球が、好ましくは、固体材料粒子、あるいは耐磨耗性Ｎｉ系触媒として再び使用される。

更に、一実施形態による反応はまた、逆水性ガスシフト反応であってもよい。
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ、
式中、ＣＯ_２及びＨ_２を供給物として反応させてＣＯ及びＨ_２Ｏを形成し、例えばコランダム（Ａｌ_２Ｏ_３）から作製されたセラミック球が、固体材料粒子、あるいは耐磨耗性Ｎｉ系触媒として再び使用される。

原則として、反応はまた、ナフサを供給物として使用する水蒸気クラッキングであってもよい。

更に、一実施形態による反応はプロペンを形成するためのプロパン脱水（Ｃ_３Ｈ_８→Ｃ_３Ｈ_６＋Ｈ_２）であってもよく、プロパンは供給物として使用され、反応器床の固体材料粒子は、反応に好適な触媒を形成する。触媒は、管固定床反応器に比べて耐摩耗性を高める必要があるが、反応によりコーキングが生じる場合には、有利には外部からの触媒再生を行うことができる。

更に、一実施形態によれば、反応はまた、ブテンを形成するためのブタン脱水（Ｃ_４Ｈ_１０→Ｃ_４Ｈ_８＋Ｈ_２）であってもよく、ブタンは供給物として使用され、反応器床の固体材料粒子は、再び反応に好適な触媒を形成する。

更に、一実施形態による反応はまた、ブタジエンを形成するためのブテン脱水（Ｃ_４Ｈ_８→Ｃ_４Ｈ_６＋Ｈ_２）であってもよく、ブテンは供給物として使用され、反応器床の固体材料粒子は、再び反応に好適な触媒を形成する。

更に、一実施形態による反応は、スチレンを形成するためのエチルベンゼン脱水（Ｃ_８Ｈ_１０→Ｃ_８Ｈ_８＋Ｈ_２）であってもよく、エチルベンゼンは供給物として使用され、反応器床の固体材料粒子は、再び反応に好適な触媒を形成する。

本発明の更なる特徴及び利点は、図を参照して、例示的な実施形態の説明において説明される。図は以下のとおりである。

図１は、本発明による反応器又は本発明による方法の一実施形態の概略図である。

図２は、本発明による方法の更なる実施形態の概略図である。

図３は、本発明による反応器の反応帯域又は本発明による方法の一実施形態の概略図である。

本発明は、異なる実施形態又は用途において、図１～図３に示すように、吸熱反応を実施するための反応器１に関する。

反応器１は、供給ガスＥから生成ガスＰを得る吸熱反応を行うように構成されている。この点において、図１は、供給ガスＥとしてのエタンを反応させて、エテン（Ｃ_２Ｈ_４）及び水素（Ｈ_２）を生成ガスＰとして形成する変形例を示している。あるいは、図２によれば、反応器は、例えば、水蒸気改質にも使用することができ、ここでは、供給ガスとしてのメタン（ＣＨ_４）を水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と共に反応させて、一酸化炭素及び水素を生成ガスＰ又は合成ガスとして形成する。他の反応も考えられる。

図１～３によれば、反応器１は、それぞれ反応器内部１０を取り囲んでおり、反応器１は、反応器内部１０の反応帯域１２に複数の固体材料粒子Ｆを含む反応器床１２０を設けるように構成されており、反応器１は更に、供給ガスＥを反応帯域１２に導くように構成されており、供給ガスＥを加熱するための反応器１は、反応帯域１２の固体材料粒子Ｆを加熱するように構成されており、その結果、反応帯域１２の供給ガスＥを固体材料粒子Ｆから供給ガスＥに熱を伝達することによって反応温度まで加熱して、生成ガスＰを生成するためのそれぞれの吸熱反応において出発生成物として関与できるようにし、反応器内部１０はまた第１の熱統合帯域１１を含み、第１の熱統合帯域において、反応帯域１２で生成された生成ガスＰからの熱を、反応器床１２０の固体材料粒子Ｆに伝達して、固体材料粒子を反応帯域１２に導くことができ、反応器内部１０はまた第２の熱統合帯域１３を含み、第２の熱統合帯域において、反応帯域１２から来る反応器床１２０の固体材料粒子Ｆからの熱を、供給ガスＥに伝達して、供給ガスＥを予熱できるようにしている。

図１及び図２に示される反応器１の実施形態では、反応帯域１２の反応器床１２０及び熱統合帯域の反応器床１１０、１３０は、重力によって駆動される固体材料粒子Ｆであり、供給ガスＥは向流ガス流を形成するため、好ましくはほぼ完全な熱統合を達成することができる。

一実施形態によれば、ガスの加熱及び冷却は、０．１秒～１秒の時間スケールで行われ、これは、例えば、生成ガスのより低い温度への急速な冷却が必要である場合の反応制御に有利である。

図１及び図２を参照することで分かるように、固体材料粒子Ｆの直接的な電気（又は誘導）加熱を用いて、供給ガスＥを加熱する。この目的のために、特にグリッド２０、２１の形態の対応する透過性電極２０、２１を使用することができ、電極２０、２１に電気電圧２２が印加され、その結果、固体材料粒子Ｆの抵抗（材料抵抗の代わりに、主に固体同士の接触抵抗）が、熱生成／熱放散のために使用される。

最適な熱統合を実現するために、好ましい実施形態によれば、ガス及び固体材料粒子の流れＥ、Ｐ、Ｆの熱容量の流れは互いに適合している。これにより、反応器内部１０又は移動床１１０、１３０に、いわゆる熱統合帯域１１、１３が生じ、この熱統合帯域１１、１３では、供給ガスＥが反応帯域１２（下部の第２の熱統合帯域１３）からの高温の固体材料粒子Ｆによって予熱され、高温の生成ガスＰが反応器１の上側に導入される低温の固体材料粒子Ｆを加熱する。

図１及び図２によれば、ここで好ましくは、反応器１が意図したとおりに配置されている場合に、反応帯域１２が２つの電極２０、２１の間で垂直方向に配置され、第１の熱統合帯域１１が第１の電極２０の上方に配置され、第２の熱統合帯域２１が第２の電極の下方に配置されていることを提供する。

それぞれの反応器床１１０、１２０、１３０を形成する固体材料粒子Ｆを導入するために、それぞれの反応器１は、固体材料粒子入口３０を備え、固体材料粒子入口を介して、固体材料粒子Ｆを第１の熱統合帯域１１に導入することができ、その結果、固体材料粒子Ｆを、第１の電極２０を通して反応帯域１２に導けるように、また第２の電極２１を通して第２の熱統合帯域１３に導けるようになっていることが更に提供される。

固体材料粒子Ｆを取り出すために（特に、固体材料粒子Ｆを固体材料粒子入口３０に再循環させるために）、反応器１はまた固体材料粒子出口３１を備え、固体材料粒子出口を介して、固体材料粒子Ｆを第２の熱統合帯域１３から取り出せる。

更に、特に、供給ガスＥを反応器内部１０に導入するためのそれぞれの反応器１は供給ガス入口３２を備え、供給ガス入口を介して、供給ガスＥを、第２の熱統合帯域１３に導入することができ、第２の熱統合帯域から第２の電極２１を通して反応帯域１２に導ける。

生成ガスＰを取り出すために、それぞれの反応器１は、最終的に、生成ガス出口３３を備え、生成ガス出口を介して、反応帯域１２で生成された生成ガスＰを第１の熱統合帯域１１から取り出せる。

本発明の一例によれば、使用される熱の少なくとも９０％を、エチレンの生成中に図１に従って回収することができ、ここでは計算のために炭素からなる固体材料粒子Ｆを想定している。しかし、炭素の代わりにセラミック材料を用いることが好ましい。特に、本発明では、例えばＡｌ_２Ｏ_３からなる固体材料粒子Ｆを反応器床の構成要素として用いることができる。

前述の熱回収を実現するために、例えば１５０℃の温度、及び例えば２バールの圧力の供給ガス（エタン）Ｅを、例えば１０００ｋｇ／ｈの質量流量で反応器１に導入することができる。供給ガスＥは、例えば１５５℃の温度、例えば２バールの圧力、及び例えば３００ｋｇ／ｈの質量流量の水蒸気で希釈することができる。エチレンを形成するためのエタンの反応は、反応帯域において、例えば８５０℃の温度で行われてもよく、エチレン生成物は、例えば１５０℃の温度で、例えば２バールの圧力で、例えば６０６ｋｇ／ｈの質量流量で、反応器１から取り出せる。また、固体材料粒子Ｆは、例えば１７４℃の温度で、例えば２バールの圧力で、例えば２．９ｔ／ｈの質量流量で反応器１に供給され、２８０℃の温度で反応器１から取り出せる。

エチレンを形成するためのエタン供給物の所与の変換率を６５％（供給物は、３０％の水蒸気で希釈された水蒸気である）とすると、加熱電力は１５５０ｋＷｈ／ｔエチレン生成物である。電気エネルギーの変換効率を９０％とすると、電気消費量は１７２２ｋＷｈ／ｔエチレン生成物である。

エタンクラッキングと同様の方法で、図２による本発明による反応器１又は本発明による方法は、水蒸気メタン改質にも使用することができる。また、不活性粒子の代わりに、移動床１１０、１２０、１３０の固体媒体又は固体材料粒子Ｆとして触媒を使用することもできる。触媒は、管固定床反応器に比べて耐摩耗性を高める必要があるが、有利には外部からの触媒再生を行うことができる。不活性粒子を使用するか、反応に影響を与える粒子を使用するかについての決定は、特に反応温度に基づいて行うことができる。水蒸気改質を例にとると、例えば、低温側の域（約９５０℃）では触媒材料を使用することができ、一方、高温側の域（約１２５０℃）では、反応が十分に迅速に起こり、不活性材料を使用することができる。

一実施形態によれば、反応器は、固体材料粒子を、規定された速度で反応帯域１２又は熱統合帯域１１、１３を介して導くように構成されており、固体材料粒子Ｆのこの速度は（例えば図１及び図２による実施形態では）、好ましくは０．１ｍ／ｈ～２ｍ／ｈの範囲内であり、この速度は、反応器への摩擦関連損傷のリスクが対応して低くなる、低速で非常に材料に優しい速度を表している。

炭素移動床１２０の約８００℃から－１２５０℃での電極２０、２１による直接電気加熱は、約１．０オーム～１０オームの範囲の電気抵抗で可能である。この目的のために、約０．００５～０．０４［オーム^＊ｍ］の比床抵抗を有する炭素粒子の形態の固体材料粒子Ｆを、例えば８００℃を超える範囲の温度で使用することができる。

移動床１１０、１２０、１３０の固体材料粒子Ｆは、反応条件下で十分に化学的に安定である必要があるため、水蒸気又はより多量のＣＯ_２が排気ガス中に含まれる場合、炭素よりもセラミック材料が好ましい。それぞれの固体材料媒体Ｆは、プロセス要件に応じて選択することができる。原則として、低インピーダンス材料、例えばセラミック材料が有利であり、電気伝導率は、好ましくは、反応器１の耐火性ライニング材料の電気伝導率よりも高い必要があるため、反応器の周囲の耐火性材料ではなく反応器床１２０の加熱が主に行われる。比較的高い伝導性を有する材料が使用される場合、個々の固体材料粒子Ｆ間の境界抵抗は、全体の抵抗にとって特に重要である。したがって、表面形態は、電気抵抗の増加を必要とするように調整することができる。一実施形態によれば、固体材料粒子は、例えば、非球形粒子である。

固体材料粒子Ｆ及び供給ガス流Ｅの、垂直方向又は流れ方向における反応帯域１２の長さは、加熱帯域１２におけるガスの滞留時間を規定する。長さが大きいほど、それに対応して全体的な電気抵抗（粒子Ｆの直列接触抵抗）が高くなるため、電気加熱の条件はより好ましくなる。反応帯域１２での滞留時間は１秒未満が可能であり、これは、エタン脱水によるエチレン生成に有利である。

更に、固体材料粒子Ｆの粒径は、反応器の要件に応じて選択することができる。例えば、急速加熱が有利であり、その場合、気相と固相との間の効率的な直接熱伝達のために、粒径は最大５ｍｍの範囲である。したがって、０．１秒～１秒の短い加熱時間が問題なく可能である。

更に、一実施形態によれば、部分的な流動化によって偏在することなく、均一な加熱及びほぼ栓流がもたらされるため、固体材料粒子Ｆの単峰性の粒径分布も有利であることが分かっている。

電極２０、２１の電極材料の選択は、特に以下の基準に基づいている。その基準によると、反応条件（温度、ガス条件、固体流動床材料）の下で安定している材料が好ましく、この材料は、電極ではなく床での加熱を確実にするために、床媒体と比較して相対的に高い電気伝導率を有し、電極全体に必要な形態での生産性をなお可能にする必要がある。最も単純な場合では、それぞれの電極２０は、例えば、単一又は複数の支柱として構成されているが、より複雑なグリッド形態も有し得る。前述のプロセスでは、ステンレス鋼又はＮｉ系合金（高温による）は、電極材料と見なすことができる。例えば、材料のＣｅｎｔｒａｌｌｏｙ（登録商標）Ｇ ４８５２ Ｍｉｃｒｏ Ｒは、改質器の条件下で安定であり、許容可能な強度を有し、電極材料として使用することができる。水蒸気（水蒸気希釈なし）又はＣＯ_２が供給ガス又は生成ガスＥ、Ｐ中に存在しない場合は、原則として黒鉛を電極材料として使用することもできる。あるいは、黒鉛を化学的に安定した保護層でコーティングすることもできるが、この保護層は電気伝導性である必要がある。

更に、図３に示す実施形態によれば、反応器１の反応帯域１２は、反応器１の周壁部１２ａによって区切られ、この周壁部は、反応帯域１２に面する内側面１２ｂを有し、円錐形の設計であるため、反応帯域１２が垂直方向ｚに上方に向かって先細になっていることを提供することができる。これにより、反応帯域１２の直径Ｄ１は、反応帯域１２の直径Ｄ２に縮小される。

内側面１２ｂは、特に切頭円錐の側面を形成する。換言すれば、反応帯域１２は、特にこの領域において切頭円錐を形成する。

反応帯域１２のこのような円錐状に拡大する形状により、有利には、反応帯域１２において移動床１２０の固体材料粒子Ｆが横方向に移動する。供給ガスから固体材料粒子Ｆへの炭素付着物の場合、例えば、純粋なメタンの熱分解中の熱分解反応（水蒸気を含まない）の場合、又は小さな水蒸気対炭素比（Ｓ／Ｃとも呼ばれる）、例えばＳ／Ｃ＜１、８、特にＳ／Ｃ＜１を使用する際の水蒸気改質中のコーキングの場合、又はエタンクラッキング中のコーキング反応の場合、架橋形成が起こり得、この架橋は粒子Ｆの横方向の移動によって再び破断し、それによってブロッキングには至らない。

内側面１２ｂは、好ましくは、反応帯域１２の水平面又は水平断面と角度Ｗを形成し、これは９０°に比較的近いものとすることができる。

角度Ｗは、好ましくは８５°～８９．５°の範囲であり、好ましくは８７°～８９°の範囲である。

原則として、本発明による反応器は、任意の他の吸熱反応に使用することができ、好ましくは、反応帯域１２において固体生成の増加を起こさないようにする必要がある。この点に関して、例えば、移動床１２０の遮断及びそれに伴う床の抵抗の変化は、メタン熱分解（ＣＨ_４→Ｃ＋２Ｈ_２）において不利であることが分かっている。

更に、電極２０、２１によって粒子Ｆを直接加熱するために、直流電圧２２の代わりに交流電圧を抵抗加熱器に印加することも可能である。

本発明は、有利には、粒子Ｆの特定の加熱によるプロセスからのＣＯ_２の直接排出を低減することを可能にする。更に、反応器自体における生成物と出発生成物との間の熱統合により、熱回収のための外部装置は不要である、又はそれを減らすことのみが必要がある。

本発明は、比較的短い加熱及び冷却時間を可能にし、良好な反応制御をもたらす。このことは、水蒸気クラッキング中に反応帯域から出るガスを急速に冷却することが、目的生成物の収率を高めるために必要であるため、特に有利である。

水蒸気生成は有利に低減できる。更に、粒子に付いたコークスをプロセスから取り除くことができるため、エタンクラッキング中にデコーキングサイクルは必要ではない。したがって、デコーキングは、有利には反応器の外で、例えば予熱気を燃焼させることによって行うことができる。

１ 反応器
１０ 反応器内部
１１ 第１の熱統合帯域
１２ 反応帯域
１２ａ 壁部
１２ｂ 内側面
１３ 第２の熱統合帯域
２０ 第１の電極
２１ 第２の電極
２２ 電気電圧又は電圧源
３０ 固体材料粒子入口
３１ 固体材料粒子出口
３２ 供給ガス入口
３３ 供給ガス出口
１１０、１３０ 移動床
１２０ 移動床
３３０ フロー接続
Ｆ 固体材料粒子（反応器床）
Ｅ 供給ガス
Ｐ 生成ガス
Ｗ 角度

Claims (12)

1. 吸熱反応、特に高温反応を実施するための反応器（１）であって、前記反応器において、生成ガス（Ｐ）が供給ガス（Ｅ）から得られ、前記反応器（１）は反応器内部（１０）を取り囲み、前記反応器（１）は、前記反応器内部（１０）の反応帯域（１２）に重力駆動式移動床（１２０）を設けるように構成されており、前記移動床は、多数の固体材料粒子（Ｆ）を含み、前記反応器（１）はまた、前記供給ガス（Ｅ）を前記反応帯域（１２）に導くように構成されており、前記供給ガス（Ｅ）を加熱するために、前記反応器（１）は、前記固体材料粒子に電流を発生させることによって、前記反応帯域（１２）の前記固体材料粒子（Ｆ）を加熱するように構成されており、その結果、前記固体材料粒子（Ｆ）から前記供給ガス（Ｅ）に熱を伝達することによって、前記反応帯域（１２）の前記供給ガス（Ｅ）を反応温度まで加熱して、前記生成ガス（Ｐ）を生成するための前記吸熱反応において出発生成物として関与できるようにし、前記反応器内部（１０）はまた、第１の熱統合帯域（１１）を含み、前記第１の熱統合帯域において、前記反応帯域（１２）で生成された前記生成ガス（Ｐ）からの熱を、前記反応器床（１２０）の固体材料粒子（Ｆ）に伝達することができ、前記固体材料粒子を前記反応帯域（１２）に導くことになり、反応器内部（１０）はまた、第２の熱統合帯域（１３）を含み、前記第２の熱統合帯域において、前記反応帯域（１２）から来る前記反応器床（１２０）の固体材料粒子（Ｆ）からの熱を、前記供給ガス（Ｅ）に伝達して、前記供給ガス（Ｅ）を予熱できるようにしている、反応器。
2. 前記反応器床（１２０）の前記固体材料粒子（Ｆ）を加熱するための前記反応器（１）が、第１の電極（２０）及び第２の電極（２１）を有し、前記第１の電極（２０）は、前記反応器内部（１０）の前記第２の電極（２１）の上方に配置され、特に、前記２つの電極（２０、２１）は、各々の場合において、前記固体材料粒子（Ｆ）、前記供給ガス（Ｅ）及び前記生成ガス（Ｐ）に対して透過性であることを特徴とする、請求項１に記載の反応器。
3. 前記反応器（１）が、前記固体材料粒子（Ｆ）を加熱するための前記２つの電極（２０、２１）間に直流電圧（２２）又は交流電圧（２２）を供給するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の反応器。
4. 前記反応帯域（１２）が前記２つの電極（２０、２１）の間に配置され、前記第１の熱統合帯域（１１）が前記第１の電極（２０）の上方に配置され、前記第２の熱統合帯域（１３）が前記第２の電極の下方に配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の反応器。
5. 前記反応器（１）が、固体材料粒子入口（３０）を有し、前記固体材料粒子入口を介して、固体材料粒子（Ｆ）を前記第１の熱統合帯域（１１）に導入することができ、その結果、前記固体材料粒子（Ｆ）を、前記第１の電極（２０）を通して反応帯域（１２）に導けるように、また前記第２の電極（２１）を通して第２の熱統合帯域（１３）に導けるようにすることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の反応器。
6. 前記反応器（１）が、固体材料粒子出口（３１）を有し、前記固体材料粒子出口を介して、前記固体材料粒子（Ｆ）を前記第２の熱統合帯域（１３）から取り出せることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の反応器。
7. 前記反応器（１）が、供給ガス入口（３２）を有し、前記供給ガス入口を介して、前記供給ガス（Ｅ）を、前記第２の熱統合帯域（１３）に導入することができ、前記第２の熱統合帯域から前記第２の電極（２１）を通して前記反応帯域（１２）に導けることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の反応器。
8. 前記反応器（１）が、生成ガス出口（３３）を有し、前記生成ガス出口を介して、前記反応帯域（１２）で生成された生成ガス（Ｐ）を、前記第１の熱統合帯域（１１）から取り出せることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の反応器。
9. 前記反応器（１）が、移動床（１１０、１３０）の形態で重力によって駆動される、前記第１の熱統合帯域（１１）及び／又は前記第２の熱統合帯域（１３）の前記固体材料粒子（Ｆ）を導くように構成されていることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の反応器。
10. 前記反応器（１）の前記反応帯域（１２）が、前記反応器（１）の周壁部（１２ａ）によって区切られ、前記周壁部は、前記反応帯域（１２）に面する内側面（１２ｂ）を有し、円錐形の設計であるため、前記反応帯域（１２）が垂直方向に上方に向かって先細になっていることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の反応器。
11. 前記内側面が、前記反応帯域（１２）の水平断面と角度（Ｗ）を形成し、前記角度（Ｗ）は、好ましくは８５°～８９．５°、好ましくは８７°～８９°の範囲であることを特徴とする、請求項１０に記載の反応器。
12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の反応器を用いて、供給ガス（Ｅ）から生成ガス（Ｐ）を得るための吸熱反応を実施する方法であって、
    複数の固体材料粒子（Ｆ）を、前記第１の熱統合帯域（１１）に導いて、前記第１の熱統合帯域から反応帯域（１２）に導き、
    前記固体材料粒子（Ｆ）を、前記反応帯域（１２）で加熱し、
    前記固体材料粒子（Ｆ）を、前記反応帯域（１２）から前記第２の熱統合帯域（１３）に導き、前記第２の熱統合帯域（１３）から取り出し、
    前記供給ガス（Ｅ）を、前記第２の熱統合帯域（１３）に導入して、前記第２の熱統合帯域から前記反応帯域（１２）に導入し、前記第２の熱統合帯域（１３）の前記供給ガス（Ｅ）を、前記反応帯域（１２）から来る固体材料粒子（Ｆ）に対して加熱して、前記固体材料粒子（Ｆ）を冷却し、前記供給ガス（Ｅ）を、前記反応帯域（１２）の前記加熱された固体材料粒子（Ｆ）と接触させ、前記加熱された固体材料粒子（Ｆ）からの熱を、前記供給ガス（Ｅ）に伝達し、前記反応帯域（１２）の前記供給ガス（Ｅ）を加熱するようにし、前記反応帯域（１２）の前記供給ガス（Ｅ）を、前記生成ガス（Ｐ）を生成することによって、前記反応において出発生成物として関与させ、
    前記生成された生成ガス（Ｐ）を、前記反応帯域（１２）から前記第１の熱統合帯域（１１）に導き、前記第１の熱統合帯域（１１）の前記固体材料粒子（Ｆ）を、前記反応帯域（１２）から来る前記生成ガス（Ｐ）に対して予熱して、前記生成ガス（Ｐ）を冷却し、
    前記生成ガス（Ｐ）を、前記第１の熱統合帯域（１１）から取り出す、方法。
    

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