JP2022528126A - 集積化ｃｏ２回収による水素生成 - Google Patents

Abstract

反応器の作動の間に生じるＣＯ２の管理を改善しながら、逆流反応器環境（又はフローが反対方向である別の反応器環境）内で炭化水素の改質を実行するためのシステム及び方法が提供される。改善されたＣＯ２の管理は、逆流反応器の作動の１つ又はそれ以上に変更を行うことによって達成される。変化は、減少又は最小化された窒素含有量を有する酸素源を提供するために、空気分離ユニットを使用すること、及び／又は再生段階の間に高圧で反応器を作動させることを含むことが可能である。高圧で再生を作動させることによって、高圧においてＣＯ２がリッチな再生燃焼ガスを生じることが可能である。ＣＯ２エンリッチド流は、汚染物質として主に水を含むことが可能であり、これは、流れの圧力を実質的に維持しながら、冷却によって除去されることが可能である。これはその後のＣＯ２の回収及び使用を促進することが可能である。

Description

本発明は、逆流反応器の作動の間に生じるＣＯ_２の回収方法に関する。

逆流反応器は、サイクル反応条件のプロセスにおいて使用するために有益である反応器の種類の一例である。例えば、改質反応の吸熱性のため、一貫した基準上で改質反応環境に追加的な熱を導入する必要がある。逆流反応器は、反応環境に熱を導入するための効率的な様式を提供することが可能である。改質又は別の吸熱反応のために使用される反応サイクルの一部分の後に、次の改質ステップに備えて反応環境に熱を加えるための燃焼又は別の発熱反応のための反応サイクルの第２の部分を使用することが可能である。特許文献１及び特許文献２は、サイクル反応環境において種々の吸熱プロセスを実行するための逆流反応器を使用することの例を提供する。

炭化水素の改質に関する問題点の１つは、実質的な量のＣＯ_２も生じることである。改質反応によって生じるＣＯ_２に加えて、改質反応を実行するための実質的な熱必要条件は、典型的に追加的な炭化水素の燃焼によって提供され、そして追加的なＣＯ_２の生成がもたらされる。したがって、この実質的なＣＯ_２生成の影響を緩和することが可能である炭化水素の改質システム及び／又は方法が望ましい。

特許文献３は、蒸気改質と、それに続く高温及び高圧での残留炭化水素の不完全燃焼による、逆流反応器での合成ガスの製造を記載する。追加的な合成ガスを提供することに加えて、不完全燃焼によって熱が反応器に提供される。特許文献３に記載される方法において、フローの逆転は、蒸気改質及び不完全燃焼を実行するための反応物フローのインプットのために使用される反応器の端部を交替させることによって達成される。次いで、得られる合成ガスを、メタノールの製造のために使用することが可能である。

特許文献４は、圧力スイング改質器などの交互フローシステムによる使用に適切なその場気化器及び復熱器を記載する。

米国特許第７，８１５，８７３号明細書 米国特許第８，７５４，２７６号明細書 米国特許第７，７４０，２８９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０１１１３１５号明細書

一態様において、改質を実行する方法が提供される。本方法は、燃焼ガスを形成するため、そして反応領域中の１つ又はそれ以上の表面を６００℃以上の再生表面温度まで加熱するために、反応器内の燃焼領域中で０．７ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含む燃焼条件下で、燃料流、酸素含有流の体積に対して１５体積％以下のＮ_２を含む酸素含有流、及びリサイクル流を含む燃料混合物を反応させることを含む。反応領域は触媒組成物を含むことが可能である。燃料混合物は、燃料混合物の体積に対して、０．１体積％以上のＯ_２及び２０体積％以上のＣＯ_２を含むことが可能である。本方法は、燃焼ガスを分離して、少なくとも０．７ＭＰａ－ｇ以上の第２の圧力を含むＣＯ_２含有流とリサイクル流とを形成することをさらに含むことが可能である。さらに、本方法は、改質条件下、再生表面温度において反応領域中で触媒組成物に炭化水素含有流を暴露して、Ｈ_２及びＣＯを含む改質生成物流を形成することを含むことが可能である。反応領域中の炭化水素含有流の流れ方向は、燃料混合物の流れの方向に対して逆になることが可能である。

任意選択的に、本方法は、改質生成物流を水性ガスシフト反応条件に暴露して、シフトされた合成ガス生成物流を形成することをさらに含むことが可能である。そのような任意選択的な態様において、本方法は、シフトされた合成ガス生成物流を分離して、Ｈ_２含有流及びＣＯ_２を含む流れを形成することをさらに含むことが可能である。例えば、シフトされた合成ガス生成物流は、圧力スイング吸着によって分離することが可能である。そのような態様において、燃料混合物は、ＣＯ_２を含む流れの少なくとも一部分を任意選択的に含むことが可能である。任意選択的に、シフトされた合成ガス流は、１０未満のＣＯに対するＨ_２のモル比を含むことが可能である。

任意選択的に、リサイクル流及び燃料混合物の少なくとも１つは、１５体積％以下のＮ_２を含むことが可能である。任意選択的に、酸素含有流は、空気分離ユニット中で空気を分離して形成されることが可能である。

別の態様において、逆流反応器システムが提供される。逆流反応器システムは、反応器入口端部、再生器入口端部、及び改質触媒を含む反応領域を含む反応器を含む。逆流反応器システムは、反応器入口端部と再生器入口との間で断続的な流体連通を提供するリサイクルループをさらに含むことが可能である。リサイクルループは、リサイクル圧縮器、燃料源入口、酸素含有ガス入口及びＣＯ含有ガス出口を含む。逆流反応器システムは、酸素含有ガス入口と流体連通する空気分離ユニットをさらに含むことが可能である。さらに、反応器システムは、ＣＯ_２含有ガス出口と流体連通する水分離段階を含むことが可能である。

任意選択的に、逆流反応器システムは、吸着器入口、生成物出口及びテールガス出口を含む圧力スイング吸着セパレーターをさらに含むことが可能である。そのような任意選択的な態様において、再生器入口端部は、吸着器入口と断続的に流体連通であることが可能であり、そしてテールガス出口は、リサイクルループと断続的に流体連通であることが可能である。

ＣＯ_２を管理しながら炭化水素改質を実行するために逆流反応器を使用する構成の例を示す。 燃焼の間の希釈ガス中の種々の量のＣＯ_２による火炎速度を示す。 燃焼の間の希釈ガス中の種々の量のＨ_２Ｏによる火炎速度を示す。 逆流反応器中での蒸気改質のための反応サイクルの間の再生ガス流速及び相当する温度プロファイルを示す。 再生の間の種々の希釈ガス組成物による逆流反応器中での蒸気改質の間のサイクル時間に対するメタン変換を示す。 逆流反応器の作動の例を概略的に示す。 逆流反応器の例を概略的に示す。

本明細書中の詳細な説明及び請求の範囲内の全ての数値は、示された値が「約（ａｂｏｕｔ）」又は「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」によって修飾され、当業者によって予期される実験誤差及び変動が考慮される。

概要
種々の態様において、反応器の作動の間に生じるＣＯ_２の管理を改善しながら、逆流反応器環境（又はフローが反対方向である別の反応器環境）内で炭化水素の改質を実行するためのシステム及び方法が提供される。改善されたＣＯ_２の管理は、逆流反応器の作動の１つ又はそれ以上に変更を行うことによって達成される。１つの変化は、減少又は最小化された窒素含有量を有する酸素源を提供するために、空気分離ユニットを使用することであることが可能である。これによって、燃焼ガス中に存在する希釈ガスの量を減少又は最小化させながら、反応器の再生の間に生じる燃焼ガス中のＣＯ_２の濃度を増加させることが可能である。別の変化は、再生段階の間に高圧で反応器を作動させることであることが可能である。高圧で再生を作動させることによって、高圧においてＣＯ_２がリッチな再生燃焼ガスを生じることが可能である。ＣＯ_２エンリッチド流は、汚染物質として主に水を含むことが可能であり、そしてこれは、流れの圧力を実質的に維持しながら、冷却によって除去されることが可能である。これはその後のＣＯ_２の回収及び使用を促進することが可能である。さらに別の変化は、改質の間に生じる酸化炭素も高圧、ＣＯ_２エンリッチド燃焼ガス流中に組み込まれるように、再生のために燃料の一部として改質生成物から分離されるテールガスを使用することを含むことが可能である。さらに別の変化は、ＣＯの追加的な生成の利益となるように、生成される水素の量を減少するように水性ガスシフト段階の作動を変性することであることが可能である。燃焼する酸素あたり生じる熱に関して、ＣＯの燃焼は、ＣＨ_４又はＨ_２の燃焼より多くの熱を生じる。これによって、空気分離ユニットのサイズの減少を可能にすることが可能である。

蒸気改質によって、メタン及び／又は他の炭化水素を改質するための従来方法が提供される。蒸気改質の間、炭化水素供給は吸熱反応条件で改質されて、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生じる。蒸気改質反応を実行するために必要とされる熱は、典型的に炭化水素の追加的な燃焼によって提供される。その結果として、改質反応の結果の１つは、相当する燃焼反応のため、低圧ＣＯ_２の実質的な量の生成である。さらに、燃焼反応からの低圧ＣＯ_２は、燃焼のための酸素源として空気を使用するため、典型的に希薄である。従来の燃焼ガスの希薄性質のため、改質生成物からのＣＯ_２を燃焼ガスに添加することを試みることは、一般に望ましくない。特に、改質生成物は、典型的に最小量のみの窒素及び／又は他の不活性物質を含む。したがって、改質生成物から分離されたＣＯ_２を燃焼ガスに添加することは、希薄ＣＯ_２流に濃縮ＣＯ_２流を添加することに相当する。

従来の蒸気改質とは対照的に、種々の態様において、改質反応のための熱を提供するために生じるＣＯ_２の実質的に全てが高いＣＯ_２濃度で高圧の流れ中に蓄積されることが可能であるように、逆流反応器中で改質を実行することが可能である。この高圧、高濃度ＣＯ_２流は、逆流反応器の作動に複数の変更を行うことによって生じることが可能である。

高圧、高濃度ＣＯ_２流を生じるために逆流反応器の作動を変更するための１つの変更は、空気以外の酸素源を使用することであることが可能である。逆流反応器の再生ステップの従来の作動の間の熱伝達のための作業流体は、実質的な量の窒素を含む。これは、燃焼のための酸素源としての空気の使用による。この窒素が燃焼のために導入されたら、窒素は、作業流体のバランスを形成するためにリサイクルされる燃焼ガスの一部としてリサイクルされる。

従来の作動とは対照的に、種々の態様において、再生の間の作業流体の窒素含有量は、酸化体を燃焼反応に提供するためにより高純度の酸素含有流を使用することによって減少又は最小化させることが可能である。例えば、減少又は最小化された窒素含有量を有する酸素含有流を生じるために、空気分離ユニットを使用することが可能である。酸素含有流中の窒素量を減少又は最小化することは、燃焼生成物の窒素含有量の相当する減少をもたらす。

燃焼生成物の窒素含有量を減少させることによって、熱を輸送するための作業流体として使用されるリサイクルされた燃焼ガスも主にＣＯ_２及びＨ_２Ｏから構成されるという点で、第２の変更がもたらされる。したがって、酸素含有ガス中のＮ_２を減少又は最小化することによって、Ｎ_２は、反応システムから抜き出される全ての燃焼ガス中でも減少又は最小化される。ＣＯ_２及びＨ_２Ｏが両方ともＮ_２よりも実質的に高い熱容量を有するため、作業流体として必要とされるリサイクルされた燃焼ガスの量を有意に減少させることが可能である。さらに、より高い熱容量希釈剤を使用することによって、燃焼の間の層流火炎速度を減少させることが可能である。

より高い熱容量を有する作業流体を使用することによって、逆流反応器のための再生ステップにおいて大きい体積の作業流体を取り扱うことに関連する問題の１つ又はそれ以上を緩和することが可能であるということが発見された。より高い熱容量の希釈ガスを使用することによって、燃焼する燃料の量に対して再生の間に生じるピークの温度を減少させることが可能である。これによって、例えば、（再生ステップの間に反応器全体の圧力低下を減少させるために）使用される作業流体の量の減少、及び／又は（その後の反応ステップの効率を増加させるために）使用される燃料の量の増加が可能となる。

熱輸送のために必要とされる作業流体の体積の減少は、逆流反応器の作動のさらに別の変更を促進することが可能である。作業流体の体積を減少させることによって、作業流体を圧縮するためのエネルギー必要条件を実質的に減少させることが可能である。これによって、０．７ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇ、又は０．７ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇ、又は３．４ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇ、又は３．４ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇなどの高圧において逆流反応器のための再生ステップを作動することを実際的にさせることが可能である。高圧ガスは低圧ガスより効率的に反応器内で熱を伝達することが可能であるが、作業流体を圧縮するために過度の費用がかかるため、高圧作動は典型的に避けられる。しかしながら、作業流体の体積を実質的に減少することによって、高圧作動の利益を実現可能にしながら、高圧で作動させるための費用を緩和することが可能である。さらに、高圧で作動させることによって、燃焼ガスの一部分は、主にＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含有する高圧ＣＯ_２含有生成物ガスを形成するために、それぞれのサイクルの間に引き抜くことが可能である。水分を除去した後、この高圧ＣＯ_２含有生成物ガスは、ＣＯ_２が他の目的のために使用されることが可能な圧力、又はその付近であることが可能である。

逆流反応器の作動のさらに別の変更は、再生ステップの燃料として改質された生成物の部分を使用することであることが可能である。特に、改質後、改質生成物中のＣＯ及びＣＯ_２の大多数を含有する残留又はテールガス生成物からＨ_２を分離するために分離を実行することが可能である。これは、例えば、Ｈ_２から改質生成物中の酸化炭素を分離するために、圧力スイング吸着を使用することによって達成することが可能である。圧力スイング吸着の間、Ｈ_２は吸着器を通過し、Ｈ_２エンリッチド生成物を形成するが、酸化炭素を吸着させることが可能である。次いで、吸着器からの酸化炭素の脱着のためのスイープガスとしてＨ_２を使用することが可能である。この脱着ステップからの得られるテールガスを、再生ステップの燃料の一部分として使用することが可能である。これによって、改質の間に生じるＣＯ及びＣＯ_２を燃焼ガスに組み込むこともできる。

改質器生成物の分離からのテールガスが再生ステップの燃料の一部分として使用される態様において、なおさらなる変更は、テールガスがＣＯリッチになるように水性ガスシフト反応条件を制御することであることが可能である。典型的に、改質反応がＨ_２の生成のために実行される場合、その後の水性ガスシフト反応ステップは、生成物中のＨ_２対ＣＯの比率を増加又は最大化するために実行される。しかしながら、燃焼の間に消費される酸素原子あたりのより低い熱量に関して、ＣＯは、ＣＨ_４又はＨ_２より高い熱ポテンシャル燃料である。したがって、テールガス中に追加的なＣＯを保持することによって、発電機での燃焼によって所望のレベルの熱を生じるために必要とされる酸素の量を減少させることが可能である。なお、テールガス中のＣＯ_２及びＣＯの合計量は、テールガス中に追加的なＣＯを保持することによって変化しない。しかしながら、所望の熱量を生じるために必要とされる酸素の量を減少させることによって、空気分離ユニットで生成される酸素含有ガスの量を減少させることが可能である。空気分離ユニットは、生成される酸素含有ガスの単位あたり比較的高いエネルギー消費を典型的に有するため、これは追加的なエネルギーの利点を提供する。

この議論において、特に明記されない限り、反応領域内の温度の説明は、再生ステップの終了時に反応領域において最大温度が生じる位置で測定される温度に相当する。再生ステップの終了時の反応領域における最大温度の位置は、典型的に反応領域と復熱領域との間の境界又はその付近である。反応領域と復熱領域との間の境界は、吸熱反応のための触媒が反応器中で開始する位置として定義される。

この議論において、特に明記されない限り、全ての体積比は、比率の量が標準温度及び圧力（２０℃、１００ｋＰａ）における体積に基づいて示される体積比に相当する。これによって、比較される２つの燃焼ガス体積が異なる温度及び圧力で存在し得るとしても、体積比率を一貫して明示することが可能となる。反応器中に供給される燃焼ガスに関して体積比が示される場合、標準条件下の単位時間の間のガスの相当する流速を比較のために使用することが可能である。

再生ステップの変更－再生のためのインプットフロー及び作動条件
逆流反応器、及び／又は反応サイクルの異なる段階において反対方向の流れを有する他の反応器は、６００℃以上又は８００℃以上などの高温において吸熱反応を実行する場合に有用となることが可能である。燃焼流、再生流、又は燃料混合物と記載されることのある第１の方向からの流れを使用して、反応器内の反応領域の１つ又はそれ以上の表面を所望の温度に加熱することが可能である。次いで、反対方向の流れを使用して、所望の吸熱反応のための試薬を届けることが可能である。再生ステップの間に反応器内に貯蔵される熱は、所望の吸熱反応に熱を提供するために使用される。

逆流反応器を作動させることの問題の１つは、再生ステップの間の熱の導入の管理である。再生ステップの間により大きい熱量を反応器に導入することによって、反応ステップの間の相当する吸熱反応の量を増加させることを可能にすることが可能である。しかしながら、導入可能な熱量は、局所的領域における過度の温度スパイクを避けるための要求によって制限される。例えば、単一位置で非常に多くの燃焼を実行することは、構造材料及び／又は反応器の内部構成部分に関する最大温度を超える結果をもたらすおそれがある。

この問題を克服するために、作業流体を、燃料混合物の一部として再生ステップの間に導入することが可能である。単位体積あたりの作業流体の量を増加させるために、再生の間に反応器を加圧することも可能である。作業流体は燃焼の間に生じる熱の一部を吸収し、そして（再生ステップの流れの方向に対して）反応器内の下流の位置へ熱を伝達する。これによって、任意の位置において最大温度を減少させながら、反応器に追加的な熱を導入させることが可能となる。したがって、逆流反応器の再生の間のインプットフローは、燃料、酸素含有流及び作業流体の組合せに相当することが可能である。種々の態様において、燃料、酸素含有流及び作業流体の１つ又はそれ以上は、高圧ＣＯ_２含有ガスの生成を可能にするために変更することが可能である。

従来からの逆流反応器再生ステップにおいて使用される作業流体の実質的な部分は、比較的低熱容量ガスである窒素に相当する。燃焼のための酸素源として空気も使用されるが、そのような作業流体は、作業流体としてリサイクルされた燃焼ガスを使用することによって形成されることが可能である。そのような構成において、窒素は再生ステップの間に反応器に入るフローの５０体積％以上に相当することが可能であり、そして窒素の体積は、熱を生じるために導入される燃料の量よりも潜在的に１桁（又はそれ以上）大きくなることが可能である（体積基準）。作業流体のこのより大きい体積は、反応器内の実質的な圧力低下をもたらす可能性があり、そして、圧縮のための実質的な作業費用を導く。より大きい反応器サイズによって圧力低下を緩和することが可能であるが、反応器サイズのそのような増加は、他の加工問題点を生じる可能性がある。さらに、精製所内で反応器フットプリントを増加させることは、典型的により望ましくない結果である。

燃焼のための酸素源として空気を使用する代わりに、種々の態様において、燃焼のための酸素源は、空気より実質的に少ない窒素及び／又は空気より多い酸素を含有する酸素含有流に相当することが可能である。例えば、３０体積％以上、５０体積％以上、又は７０体積％以上、例えば最高１００体積％までの酸を含有する酸素含有流を使用することが可能である。その上、又は代わりに、酸素含有流の窒素含有量は、３０体積％以下、又は１５体積％以下、又は１０体積％以下、又は１．０体積％以下、例えば実質的に０の窒素含有量を有するまで（０．１体積％以下）であることが可能である。空気分離ユニットは、高い酸素含有量及び／又は減少された窒素含有量を有する酸素含有流を生じることが可能である。

燃焼環境中に存在する窒素の量を減少させることによって、燃焼ガス中の窒素の量の相当する減少が得られる。その結果として、再生ステップの第２の変更は、減少又は最小化された窒素量を含有する作業流体を使用することであることが可能である。

作業流体がリサイクルされた燃焼ガスに相当するため、作業流体中に以前のサイクルからの燃焼生成物が含まれる。これは、作業流体がＣＯ_２及びＨ_２Ｏの両方を含むことが可能であることを意味する。種々の態様において、作業流体は、２０体積％以上、又は２５体積％以上、又は３０体積％以上、又は４０体積％以上、例えば最高１００体積％までのＣＯ_２を含むことが可能である。いくつかの態様において、作業流体は、２０体積％～６０体積％、又は２５体積％～６０体積％、又は３０体積％～６０体積％、又は２０体積％～５０体積％、又は２５体積％～７０体積％のＣＯ_２を含むことが可能である。任意選択的に、作業流体は、１０体積％以上、又は２０体積％以上、又は４０体積％以上、例えば最高７０体積％まで、又はなお高い体積％のＨ_２Ｏを含むことが可能である。所望であるならば、水分離ステップは、作業流体中のＨ_２Ｏの量を減少させるための燃焼ガスリサイクルループの一部として含まれることが可能である。いくつかの態様において、作業流体は、９５体積％～１００体積％、又は９８体積％～１００体積％のＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含むことが可能である。なお、作業流体がメタンの化学量論的燃焼から形成される燃焼生成物に完全に相当する場合、作業流体は約３３体積％のＣＯ_２及び６７体積％のＨ_２Ｏの組成物を有するであろう。態様次第で、作業流体は、１５体積％以下、又は１０体積％以下、又は５体積％以下、又は２．０体積％以下、例えば実質的に０のＮ_２含有量を有するまで（０．１体積％以下）のＮ_２を含有することが可能である。これは、作業流体の４０体積％以上がＮ_２に相当することが可能である、逆流反応器中で炭化水素を改質するための従来の構成とは対照的である。

いくつかの態様において、再生ステップのための燃料は、メタン又は天然ガスなどの従来の炭化水素燃料に相当することが可能である。他の態様において、燃料は、メタンなどの炭化水素燃料と、改質流出物の分離からリサイクルされたテールガスとの混合物に相当することが可能である。リサイクルされたテールガスが燃料の一部として含まれる場合、得られる燃料混合物（燃料＋作業流体＋酸素含有ガス）は、２．０体積％以上、又は５．０体積％以上、又は８．０体積％以上、例えば１５体積％以上、又はなお高い体積％のＣＯを含むことが可能である。リサイクルのためのテールガスは、例えば、スイング吸着器を使用して、改質流出物から水素を分離することによって形成されることが可能である。

再生器へのインプットフローの窒素含有量を減少又は最小化することによって、実質的により高い圧力で再生を実行することを促進することが可能である。従来からの逆流反応器中での再生は、相当する吸熱性反応を実行するために、所望の圧力と類似の圧力で実行される。逆流反応器が改質のために使用される場合、これは０．５ＭＰａ－ｇ～３．０ＭＰａ－ｇの圧力で再生を実行することに相当することが可能である。Ｎ_２の実質的な量を含有する従来のリサイクルされた燃焼ガスの場合、より高い圧力で再生を作動することは、圧縮費用の好ましくない増加を必要とする。これは、Ｎ_２の低い熱容量を補正するために必要とされるＮ_２のより大きい体積による。従来の操作とは対照的に、種々の態様において、０．５ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇ、又は０．７ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇ、又は１．４ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇ、又は３．４ＭＰａ－ｇ～７．０ＭＰａ－ｇの圧力に相当する燃焼条件を使用して再生ステップを実行することが可能である。他の態様において、０．７ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇ、又は１．４ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇ、又は３．４ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇ、又は７．５ＭＰａ－ｇ～１５ＭＰａ－ｇの燃焼圧力などの、より高い圧力燃焼条件を使用することが可能である。

高圧再生／燃焼条件で再生器を作動させることによって、いくつかの利点を提供することが可能である。第１に、高圧作動は、逆流反応器内での熱伝熱を促進することができ、結果として、再生後のより均一に分布する熱プロファイルが得られる。第２に、主にＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含有する高圧燃焼ガスを形成することによって、最小の追加加工後、分離又は他の使用のためにＣＯ_２流として燃焼ガスの一部分を使用することが可能である。

反応器を通過した後、再生のための作業流体として使用するための圧力まで燃焼ガスを戻すために、再生器からの燃焼ガスを圧縮することが可能である。圧縮の前又は後、燃焼ガスの一部分を、ＣＯ_２含有生成物流として分離することが可能である。ＣＯ_２含有生成物流中の水は、例えば熱交換によって、ＣＯ_２含有生成物流を冷却することによって除去することが可能である。連続フロー作動において、ＣＯ_２含有流の圧力をほぼ維持しながら、これを実行することが可能である。これによって、８０体積％以上、又は９０体積％以上、又は９５体積％以上、例えば実質的にＣＯ_２のみを含有する体積％まで（０．１体積％未満の他成分又は９９．９％以上のＣＯ_２）のＣＯ_２含有量を有するＣＯ_２含有流を得ることが可能である。次いで、分離プロセスにＣＯ_２含有流を通過させる。或いは、ドライアイス製造又は炭化水素抽出部位への注入などのＣＯ_２を使用するプロセスのためのインプットとして、ＣＯ_２含有流を使用することが可能である。一般に、ＣＯ_２の分離及び／又は使用は、約７．０ＭＰａ－ｇ以上、又は１４ＭＰａ－ｇ以上、例えば２０ＭＰａ－ｇ以上、又はなお高い圧力で実行される。したがって、高圧で逆流反応器の再生ステップを作動することによって、さらなる使用のために望ましい圧力であるＣＯ_２含有流を生産しながらも、高圧作動の伝熱利益を実現することを可能にすることが可能である。

上記の利点に加えて、再生ステップの間に希釈剤としてより高熱容量のガスを使用することによって、６００℃以上の温度での燃焼反応の層流火炎速度の予想外の減少を提供することが可能であるということが発見された。高い層流火炎速度は、より急速な燃焼に相当する。再生ステップの間の燃焼反応の層流火炎速度を減少させることは、燃焼反応が生じる反応器内の距離を拡大することが可能である。燃焼領域のこの拡大は、燃焼が６００℃以上、又は７００℃以上、又は８００℃以上、例えば１５００℃以上、又はなお高い温度で実行される場合、最大温度のさらなる予想外の減少を提供することが可能である。いくつかの態様において、希釈剤への高熱容量ガスの追加によって、６００℃以上、又は７００℃以上、又は８００℃以上の温度における層流火炎速度を１００ｃｍ／秒以下、又は７５ｃｍ／秒以下に減少することが可能である。なお、層流火炎速度の減少は、一部において、より高い熱容量ガスによる改善されたラジカルクエンチによるものであり得る。

流出物の改質加工－水性ガスシフト及びスイング吸着
いくつかの態様において、再生ステップのための燃料混合物への変更の１つは、改質流出物の分離からのテールガスを添加することによって燃料を変性することであることが可能である。そのような態様において、改質流出物の加工及び分離を、ＣＯ含有が増加したテールガスを提供するように変更することも可能である。

水素は炭化水素改質の望ましいアウトプットであることが多いが、炭化水素改質反応の性質は、酸化炭素の生成ももたらす。酸化炭素は、典型的に、ＣＯ対ＣＯ_２の比率が、適切な条件下で改質流出物を水性ガスシフト触媒にその後暴露することによって少なくとも部分的に選択される、ＣＯ及びＣＯ_２の混合物である。水素が改質からの望ましいアウトプットである場合、流出物は、典型的に、Ｈ_２生成を増加させるか、又は最大化するようにシフトされる。このことからも、ＣＯ_２生成増加がもたらされる。次いで、高純度Ｈ_２流、及びＣＯ_２を含む１つ又はそれ以上の残留部分を提供するために分離が実行される。燃焼生成物からのＣＯ_２は希薄であるため、燃焼生成物による改質からの追加的なＣＯ_２を組み合わせることは、一般に望ましくない。

従来の方法とは対照的に、種々の態様において、改質流出物からの酸化炭素を、燃料に添加されるテールガスの一部として、再生のためにインプットフローに添加することが可能である。テールガスは、例えば圧力スイング吸着などのスイング吸着を使用して改質流出水から水素を分離することによって形成することが可能である。

改質後、改質流出物中のＨ_２対ＣＯの比率を変更するために、改質流出物を水性ガスシフト触媒に最初に暴露することが可能である。水性ガスシフト反応は、急速平衡反応である。水性ガスシフト反応の化学量論は、方程式（１）で示される。
（１）Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２

一般に、２５０℃以上の温度で水性ガスシフト反応を実行することが可能である。水性ガスシフト反応活性を提供する様々な触媒は利用可能である。ニッケル又はロジウムベースの触媒などの改質活性を有する触媒も典型的に水性ガスシフト反応に対する活性を有する。鉄及び銅などの他の遷移金属も水性ガスシフト反応に対する活性を有する可能性がある。

従来のＨ_２生成の間、水性ガスシフト反応の条件は、改質流出物中のＣＯ濃度を典型的に約９０％まで減少するように選択される。例えば、改質流出物を水性ガスシフト触媒に暴露する時、改質の間に過剰量の蒸気を含むこと及び／又は過剰量の蒸気を使用することによって、ＣＯを代償にしてＨ_２及びＣＯ_２の生成の方に平衡を移動させることが可能である。これは、典型的に改質流出物中のＨ_２の量を最大化するために実行される。いくつかの態様において、改質流出物のＨ_２含有量を増加させて、シフトされた合成ガス生成物を形成するために、そのような従来の水性ガスシフト反応条件を使用することが可能である。そのような態様において、シフトされた合成ガス生成物は、５．０体積％以下、又は３．０の体積％以下、又は１．５体積％以下、例えば実質的にＣＯ含有量を有さない体積％まで（０．１体積％以下）のＣＯ含有量を含むことが可能である。これは、８：１以上、又は１０：１以上のＨ_２対ＣＯ比を有することに相当することが可能である。

他の態様において、圧力スイング吸着前の水性ガスシフト反応は、シフトされた合成ガス生成物中のＣＯの濃度を４０％～８０％、又は５０％～８０％、又は５０％～７０％まで減少するために作動されることが可能である。そのような態様において、水性ガスシフトの後にシフトされた合成ガス生成物中に残るＣＯは、スイング吸着の間にＣＯ_２と分離させることが可能である。これはスイング吸着後のテールガス中の炭素の正味量を実質的に変化させないが、それはより大きい量のＣＯを含むことによって燃料価を増加させる。テールガス中のＣＯの量の増加のため、再生ステップで使用される他の燃料の量を相当する量まで減少させることが可能となる。そのような態様において、シフトされた合成ガス生成物中のＨ_２対ＣＯの比率は、４．０～１０、又は４．０～８．０であることが可能である。

圧力スイング吸着（ＰＳＡ）は、値の範囲を通して、吸着剤層上で圧力をスイング又はサイクルすることによる。ＰＳＡプロセスにおいて、気体混合物から除去されるべき、通常、汚染物質と考えられる１つ又はそれ以上の成分に対して選択的又は比較的選択的である固体吸収剤の第１の層上に一定期間、圧力下で気体混合物を導入する。例えば、供給圧力でＰＳＡ装置中に供給物を導入することが可能である。供給圧力において、１つ又はそれ以上の他の成分（気体）はより低いか、又は最小の吸着力によって通過することが可能であるが、供給物中の１つ又はそれ以上の成分（気体）を選択的に（又は比較的選択的に）（吸着）吸収させることが可能である。選択的に（吸着）吸収される成分（気体）を供給物の「重」成分と呼ぶことができ、一方、選択的に（吸着）吸収されない成分（気体）を供給物の「軽」成分と呼ぶことが可能である。便宜上、供給物の「重」成分という記載は、特に明記されない限り、選択的に（吸着）吸収される全ての成分（気体）を指すことが可能である。同様に、「軽」成分という記載は、特に明記されない限り、選択的に吸着）吸収されない全ての成分（気体）を指すことが可能である。一定期間後、ＰＳＡ装置への供給フローを停止することが可能である。供給フローは、予め定められた予定に基づくか、又は１つ若しくはそれ以上の重成分のブレークスルーの検出に基づくか、又は少なくとも（吸着）吸収剤の全容量の閾値百分率に相当する重成分の（吸着）吸収に基づくか、又は他の任意の都合のよい基準に基づき、停止することが可能である。次いで、反応器の圧力を、（吸着）吸収剤から（吸着）吸収された成分（気体）が選択的に放出可能である脱着圧力まで減少させることが可能である。任意選択的に、圧力減少の前、間及び／又は後に１つ又はそれ以上のパージガス、例えば蒸気を使用して、選択的に（吸着）吸収された成分（気体）の放出を可能にすることができる。性質次第で、任意選択的に完全ＰＳＡサイクルをほぼ一定の温度で実行することが可能である。ＰＳＡは通常、少なくとも吸着によって可能になり、且つ通常、気体成分上で生じるため、「吸着」／「吸着剤」及び「気体」という用語は、「吸着」／「吸着剤」／「吸収剤」／「吸収」及び「成分」がより一般に適用可能であるとしても、範囲に限定することを意図せずに、本明細書及び請求の範囲における記述として使用される。

種々の態様において、改質流出物は、圧力スイング吸着プロセスの間のインプットフローとして使用可能である。合成ガスは、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ及びＣＯ_２を含むことが可能である。そのような態様において、Ｈ_２は軽成分に相当することが可能であるが、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ及びＣＯ_２は重成分に相当することが可能である。これは、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ｏｆ Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ，ＰＡから入手可能な吸着剤などのスイング吸着器で商業的に入手可能な吸着剤を使用して達成することが可能である。軽成分（Ｈ_２）は、主要な生成物流として吸着器を通過することが可能である。圧力スイングプロセスを使用して、吸着された成分を脱着し、以前に吸着された成分を含有するテールガスを形成することが可能である。態様次第で、次の吸着サイクルのための吸着剤を調製するために、脱着の間、いくつかのＨ_２をスイープガスの一部として使用することが可能である。任意選択的に、ＣＯ及び／又はＣＯ_２の追加的な除去が望ましい場合、圧力スイング吸着の前及び／又はその後、ＣＯ及び／又はＣＯ_２の補足的な吸着を実行することが可能である。補足的な吸着によって除去される任意の成分を、スイング吸着プロセスからテールガスに任意選択的に添加することが可能である。

完全圧力スイング吸着サイクルは、最小限で、（インプットフローから１つ又はそれ以上の成分を吸着するための）吸着段階、及び（吸着された成分を除去することによって吸着剤を再生させるための）脱着段階を含む。連続又は半連続アウトプットフローを提供するために、複数の吸着剤層を使用することが可能である。完全サイクルを可能にするために複数の層を使用することが可能であり、そこで、典型的に、全ての層は順番に同一サイクルを通過する。第１のＰＳＡ反応器が、反応器中の吸着剤が十分に飽和するなどの条件を満たす場合、供給フローを第２の反応器に切り替えることが可能である。次いで、吸着された気体を放出することによって、第１のＰＳＡ反応器を再生することが可能である。連続供給フローを可能にするために、第１のＰＳＡ反応器が、反応器を切り替えるための条件を満たす少なくとも１つの他のＰＳＡ反応器の前の仕上げ再生であるように、十分な数のＰＳＡ反応器及び／又は吸着剤層を使用することが可能である。

分離を実行するために、改質流出物の少なくとも一部分をＰＳＡ反応器に導入することが可能である。重成分の吸着を促進するために、流出物をＰＳＡ反応器に導入する前に改質流出物を冷却することが可能である。実行される冷却の量次第で、改質流出物は、それがＰＳＡ反応器に入る時に、１０℃～１５０℃、又は１０℃～１００℃、又は２０℃～１５０℃、又は２０℃～１００℃の温度を有することが可能である。改質流出物の圧力は、それがＰＳＡ反応器に入る時に、１０ｂａｒ－ａ（約１．０ＭＰａ－ａ）～６０ｂａｒ－ａ（約６．０ＭＰａ－ａ）、又は１５ｂａｒ－ａ（約１．５ＭＰａ－ａ）～５０ｂａｒ－ａ（約５．０ＭＰａ－ａ）、又は２０ｂａｒ－ａ（約２．０ＭＰａ－ａ）～６０ｂａｒ－ａ（約５．０ＭＰａ－ａ）、又は１０ｂａｒ－ａ（約１．０ＭＰａ－ａ）～４０ｂａｒ－ａ（約４．０ＭＰａ－ａ）、又は１０ｂａｒ－ａ（約１．０ＭＰａ－ａ）～３０ｂａｒ－ａ（約３．０ＭＰａ－ａ）であることが可能である。

供給を別のＰＳＡ反応器へと切り替えるため、又は供給ガスの流れを他の様式で停止するための１つ又はそれ以上の予め定義された基準が満たされるまで、供給物をＰＳＡ反応器中に通過させることが可能である。いずれの都合のよい、予め定義された基準も使用することが可能である。例えば、指定された時間で供給を反応器に通すことが可能である。その上、又は代わりに、ＣＯ、ＣＯ_２及び／又はＨ_２Ｏのブレークスルー量が生成物Ｈ_２流中で検出されるまで、供給を反応器中に通すことが可能である。さらにその上、又は代わりに、反応器に入ったＣＯ_２及び／又はＨ_２Ｏの量が反応器の吸着性容量の閾値値とほぼ等しくなるまで、供給を反応器中に通過させることが可能である。そのような状況において、例えば、反応器に入ったＨ_２Ｏ及び／又ＣＯ_２の量が反応器中の吸着性材料の吸着性容量の７５％以上、又は８０％以上、又は８５％以上、又は９０％以上、例えば最高１００％まで、又は可能であればさらに高い割合に等しくなるまで、供給を反応器中に通過させることが可能である。典型的なＰＳＡサイクルは、約３０秒～約３００秒間、例えば約６０秒～約１２０秒間、供給を反応器中に導入することを含む。

１つ又はそれ以上のパージガスフローは、吸着されたＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ及びＣＯを反応器か除去するために使用されることが可能である。１つの選択肢は、吸着された成分を脱着させることを補助するための水素含有パージを使用することを含むことが可能である。

別の態様において、吸着剤粒子は、モノリスなどの規則的な構造に組み立てることが可能である。従来のモノリス吸着剤は、特徴的な利点及び不利な点を有し、その１つは、コーティング溶液が細孔入口を詰まらせ、さらなるコーティング材料の進入を妨げ得る場合、特にモノリスが比較的小さい直径の細孔を有する場合、支持体上で吸着剤の薄く且つ確実に均一な洗浄コーティングを形成することが困難であることである。この場合、モノリスの吸着特徴は、おそらく予測不可能であり、最適未満である。その低いねじれ及び予測可能な空隙体積を含むモノリスの利点をある程度維持しながら、この欠点を解決するために、粒子の表面上に吸着性材料の層を配置し、次いで吸着剤層に粒子を組み立てることによって、例えば、密充填層中の吸収容器中に直接充填することによって、又はより好ましくは、その後モノリスのブロックと同様にブロックの形態で容器中に充填することが可能である形成構造にコーティングされた構造化吸着剤粒子を形成することによって、粒子吸着剤を好ましく疑似モノリスに形成することが可能である。実際に、モノリス製造の従来方法を逆転することが可能であり、そして支持体粒子及びモノリス様構造の外側にコーティングされた吸着剤をコーティングされた粒子から組み立てることが可能である。このように、本質的な吸着剤のより均一なコーティングを達成することが可能であるのみならず、異なる形状及び表面粗さの粒子を使用することによって疑似モノリスの細孔構造を制御することが可能である。このように作動させる場合、吸着剤粒子は、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも５：１の長さ対最大断面寸法の比率を有するべきであり、最大断面寸法は典型的に５ｍｍ以下、例えば１ｍｍ以下である。粒子が、縦方向に広く、実質的に一直線に配列されたガスチャネルで規則的な構成で配置された後、次いで、粒子を全体的に一緒に束にして／接着して、密着した自立体を形成することが可能である。次いで、その全体を、規則的な吸着剤層を形成するために所望の配向で一直線に配置されたガス通路を有する容器中に配置することが可能である。吸着剤内の空隙率、すなわち、吸着剤を含有する容器の体積に対する、（ミクロ細孔及びマクロ細孔を含む）固体吸着剤の多孔性のための空隙体積及びガスフローチャネル又は割れ目のための空隙体積の比率は、０．５未満、又は０．３未満でなければならない。

構成例
図１は、逆流反応器を含む反応システム中での炭化水素改質による集積化炭素回収のために適切な反応システムの例を示す。図１に示される例において、反応システムは複数の逆流反応器を含む。合計５つの反応器が図１に示されるが、いずれかの都合のよい数の反応器が使用可能であることは理解される。複数の反応器を使用することにより、反応生成物の連続又は実質的に連続な流れを、精製所、化学工場又は他の施設の下流部分へのインプットとして提供することが可能である。

図１中、２つの反応器１１０は、反応サイクルの再生部分における反応器に相当する。２つの反応器１３０は、反応サイクルの吸熱反応（改質）部分における反応器に相当する。例えば反応器１３０は蒸気改質を実行することができ、そこで蒸気及びメタン（及び／又は他の改質可能な有機物）のインプット流１３２が改質流出物１３５に変換される。反応器１２０は、サイクルの再生及び反応部分の中間である反応器に相当する。サイクルのそれぞれの部分の長さに応じて、代わりに反応器１２０は、サイクルの再生部分の別の反応器、又はサイクルの反応部分の別の反応器に相当することが可能である。図１中に表されるものは、所与の時点のシステムの断片に相当するものと理解される。反応サイクルが続くと、個々の反応器は反応から再生へ、そして再び反応へと進行する。

再生の間、燃料及び酸化体供給混合物１０２を、反応器１１０などの再生ステップの反応器中に通過させる。反応器１１０中を通過させる前に、燃料及び酸化体混合物１０２を所望の圧力まで加圧１０３することが可能である。燃料及び酸化体供給１０２に加えて、再生の反応器は、作業流体として燃焼ガスも受け取る。図１に示される構成において、反応器１１０からの燃焼ガス１１５の第１の部分１６２は、廃熱ボイラー１６０などの熱回収段階を通過し、続いて、流れを組み合わせ前に燃料及び酸化体供給混合物１０２と同じ圧力までリサイクルされた燃焼ガスを増加させるために圧縮１６３が行われる。反応システム中のガスの所望のレベルを維持するために、燃焼ガス流１１５の残りの部分１６５を反応システムから排除する。図１に示される例において、残りの部分１６５は、水を除去するための分離段階１９０中を通過する。これによって、高純度、高圧力ＣＯ_２含有流１９５が得られる。

図１中、燃焼ガス１１５に相当するフロー経路；第１の部分１６２；及び第１の部分１６２が燃料混合物１０２と組み合わせられる線が、リサイクルループに相当する。リサイクルループは、反応器１１０の反応器入口端部と反応器１１０の再生器入口端部との間で流体連通を提供する。流体連通が再生ステップの間にのみ提供されるため、流体連通は断続的である。これは、例えば、バルブの適切な使用によって制御することが可能である。

燃料及び酸化体供給混合物１０２は、燃料を酸素含有流１７２と組み合わせることによって形成することが可能である。酸素含有流１７２は、例えば、空気分離ユニット１７０によって生成される酸素エンリッチド流であることが可能である。空気分離ユニット１７０は、窒素含有流１７９も生成することが可能である。窒素含有流は、任意選択的に、電力を提供するタービン１８０のための希釈剤流体又は作業流体１８８として使用することが可能である。タービン１８０からの電力は、例えば、空気分離ユニット１７０のための電力として使用することが可能である。燃料は、改質流出物中の残留成分からＨ_２を分離することによって誘導されるテールガス１５７に少なくとも部分的に相当することが可能である。追加的な燃料が必要とされる範囲まで、メタン又は天然ガスなどの炭化水素のいずれかの都合のよい種類を使用することが可能である。

図１に示される構成において、反応器１３０から出た後、改質流出物１３５を水性ガスシフト反応器１４０に通過させ、シフトされた合成ガス生成物１４５を生成する。水性ガスシフト反応器１４０は、シフトされた合成ガス生成物１４５中のＣＯに対するＨ_２のモル比を増加させるために使用されることが可能である。改質流出物１３５のＨ_２対ＣＯモル比は、典型的に約３：１である。いくつかの態様において、水性ガスシフト反応器１４０を使用して、５．０体積％以下、又は３．０体積％以下、又は１．５体積％以下のＣＯ含有量を有する、例えば実質的にＣＯ含有量を有さない（０．１体積％以下）などの減少又は最小化されたＣＯ含有量を有するシフトされた合成ガス生成物１４５を生成することが可能である。これは８：１以上又は１０：１以上のＨ_２対ＣＯ比を有することに相当することが可能である。なお、酸素含有流１７２が空気分離ユニットによって形成されるため、シフトされた合成ガス生成物中に希釈剤ガス（例えば窒素）の減少又は最小量が含まれる。他の態様において、より少量のＣＯ減少を実行することが可能である。そのような態様において、シフトされた合成ガス生成物中のＣＯに対するＨ_２の比率は、４．０～１０、又は４．０～８．０であることが可能である。これによって、再生反応器１１０の燃料の一部として使用されるテールガス流１５７の燃料価を増加させることが可能である。

次いで、シフトされた合成ガス生成物１４５を、１つ又はそれ以上のスイング吸着反応器１５０を使用して分離して、水素エンリッチド流１５５及びテールガス１５７を生成することが可能である。

図１に示される構成例において、テールガス流１５７を排出するスイング吸着反応器１５０の出口は、リサイクルループと断続的な流体連通にあることが可能である。そのような断続的な流体連通は、例えば、バルブの適切な使用によって制御することが可能である。

逆流反応器構成の例
炭化水素改質などの高温で作動される吸熱反応に関して、逆流反応器は、吸熱反応に熱を提供するために適切な反応環境を提供することが可能である。

逆流反応器において、吸熱反応のために必要とされる熱は、反応器の中央で高温熱バブルを作成することによって提供され得る。次いで、熱が（ａ）その場での燃焼を介して反応器層又はモノリスに加えられて、次いで（ｂ）改質、熱分解又は蒸気分解などの吸熱プロセスによってその場で層から除去される、ツーステッププロセスを使用することが可能である。この種の構成は、そのような条件に長期間耐えることが可能である反応器領域中で一貫して高温バブルを管理して、閉じ込める能力を提供することが可能である。逆流反応器システムは、実質的に連続的な様式で実行される一次吸熱及び再生プロセスを可能にすることができる。

一例として、逆流反応器システムは、共通のフロー経路に対して、そして任意選択的に、しかし好ましくは共通の軸に沿って、互いに直列関係で配置された第１及び第２の反応器を含むことが可能である。共通の軸は水平、垂直、又は他の様式であり得る。他の例において、逆流反応器システムは、反応領域及び復熱領域を含む単一反応器に相当することが可能である。再生ステップの間、反応物（例えば燃料及び酸素）は、その中で燃焼させるために反応領域中でその場で組み合わせるか又は混合することが可能であり、そして反応器システムの中央部分内に高温領域又は熱バブルを作成することが可能である。熱バブルは、少なくとも吸熱反応のためのほぼ初期温度である温度に相当することが可能である。典型的に、熱が反応器の中央部分の熱バブルから反応器の端部の方へ伝達すると、温度が減少するため、熱バブルの温度は吸熱反応のための初期温度より高いことが可能である。いくつかの態様において、第１及び第２の反応器の間に任意選択的に位置する混合機によって、所望の位置で実質的に完全な燃焼／反応を促進するために反応物を混合する反応物混合機によって、組み合わせることを強化することが可能である。第１の反応器を通る第１及び第２の反応物のフローが、反応によって生じる熱（例えば熱バブル）の（所望の）実質的な部分を置き換えるために有用である長く十分な期間で燃焼プロセスが生じることが可能であるが、好ましくは第２の反応器を通る全てが廃熱及び第２の反応器の過熱を減少又は最小化するわけではない。この熱は、例えば、第２の反応器及び／又は反応器の吸熱反応のための反応領域の１つ又はそれ以上の表面に伝達される。燃焼ガスは第２の反応器によって排出され得るが、好ましくは大部分の熱は第２の反応器内に維持される。再生ステップの間に第２の反応器に移動される熱量は、炭化水素供給ガスが吸熱反応環境で有する所望の曝露時間又は空間速度によって限定又は決定されることも可能である。単一反応器が使用される態様において、反応によって生じる熱は、反応器の燃焼領域中に及び／又は少なくとも部分的にそれを通して移動することが可能であるが、好ましくは、移動は、反応器からの加熱されたガスの排出のために、廃熱を減少又は最小化することも可能である。

（吸熱反応のための触媒を含む１つ又はそれ以上の表面を含むこと及び／又は相当することが可能である）第２の反応器媒体の再生又は加熱の後、次の／逆ステップ又はサイクルにおいて、加熱ステップの間のフロー方向の反対方向から、第２の反応器を通して吸熱反応のための反応物を供給又は流すことが可能である。例えば、改質プロセスでは、第２の反応器を通してメタン（及び／又は天然ガス及び／又は別の炭化水素）を供給又は流すことが可能である。反応エネルギーのための熱をメタンへ伝達するために、熱バブル領域において、メタンは、加熱された第２の反応器及び混合機媒体と接触することが可能である。

いくつかの態様に関して、逆流再生層反応器システムの基本的なツーステップの非対称サイクルを、２つの領域／反応器；第１の又は復熱器／クエンチ消失領域（７）及び第２の又は反応領域（１）を有する反応器システムに関して、図６の図６Ａ及び６Ｂに示す。反応領域（１）及び復熱領域（７）の両方は、ドープされたセラミック組成物から形成される再生モノリス及び／又は他の再生構造を含むことが可能である。再生モノリス又は他の再生構造は、本明細書で使用される場合、熱を貯蔵及び伝達するために有効であり、並びに化学反応を実行するために有効である材料を含む。再生モノリス及び／又は他の構造は、熱を貯蔵して、熱を伝達して、そして反応を引き起こすために適切であるいずれの都合のよい種類の材料にも相当することが可能である。構造の例には、層状又は充填材料セラミックビーズ又は球体、セラミックハニカム材料、セラミックチューブ、押出成形モノリスなどが含まれるが、ただし、それらが、完全性、機能性を維持して、且ついくらかの作動マージンを可能にすることができる１２００℃を超える、又は１４００℃を超える、又は１６００℃を超える温度への長期曝露に耐える能力があることが条件である。いくつかの態様において、触媒セラミックモノリス及び／又は他の触媒セラミック構造は、追加的なウォッシュコートが存在しなくても使用可能である。

図６の説明を容易にするために、本明細書中で、反応器は改質反応に関して記載される。図６の図６Ａに示すように、サイクルの「反応」ステップの開始において、（本明細書中で第２の反応器とも記載される）反応領域１の第２の端部５は、反応領域１の主要端部３と比較して、高温であることが可能であり、そして（本明細書中で第１の反応器とも記載される）復熱又はクエンチ領域７の（第１の端部９を含む）少なくとも一部は、得られる生成物にクエンチ効果を提供するために、反応領域１より低温であることが可能である。反応器が逆流改質を実行するために使用される態様において、メタンを含有する反応物供給（又は他の炭化水素を含有する反応物供給）を導管１５によって改質又は反応領域１の主要端部３に導入することが可能である。種々の態様において、炭化水素を含有する反応物供給は、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２又はその組合せを含むことも可能である。

入口１５からの供給流は、反応領域１から熱を吸収することができ、吸熱反応して所望の合成ガス生成物を生産することが可能である。このステップが進行すると、矢印によって示される温度プロファイル２のシフトが、システムの伝熱特性に基づいて作成されることが可能である。セラミック触媒モノリス／他の触媒構造が適切な伝熱性能で設計される場合、このプロファイルは比較的鋭い温度勾配を有することが可能であり、この勾配は、改質ステップが進行すると、反応領域１を横切って移動することが可能である。いくつかの態様において、より鋭い温度勾配プロファイルが、反応条件の改善された制御を提供することが可能である。別の種類の吸熱反応が実行される態様において、反応ステップが進行すると、温度勾配が反応領域１を横切って移動するように、温度プロファイルの類似のシフトが起こることが可能である。

未反応の供給成分（炭化水素、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２）並びに合成ガス成分を含むことが可能である改質反応からの流出物は、高温で第２の端部５を通って反応領域１を出て、復熱反応器７を通過することが可能であり、そして第２の端部１１を通って入り、第１の端部９に出る。復熱器７は、最初は反応領域１より低温であることが可能である。改質反応からの生成物（及び任意選択的に未反応の供給物）は復熱器領域７を通過すると、ガスは実質的に第１の端部９において復熱器領域の温度に近い温度までクエンチ又は冷却されることが可能であり、それは、いくつかの実施形態において、サイクルの第２のステップの間に導管１９を通して再生供給物が復熱器７に導入された時と同じ温度であることが可能である。改質流出物が復熱器領域７において冷却されると、領域再生層で温度勾配４が生じることが可能であり、そしてこれは、このステップの間、横切って復熱器領域７を横切って移動することが可能である。クエンチによって復熱器７を加熱することが可能であり、これは、第２のステップにおいて、後に別のクエンチ機能を提供するため、そして熱バブルのサイズ及び位置がクエンチ反応器７を通して進行的に成長することを防ぐために、再び冷却されることが可能である。クエンチ後、反応ガスは導管１７を通して９において復熱器を出ることが可能であり、種々の成分の分離及び改修のために加工されることが可能である。

次いで、再生ステップと呼ばれるサイクルの第２のステップは、導管１９を通しての第１及び第２の再生反応物の再導入から開始することができる。第１及び第２の反応物を、復熱器７の第２の端部１１の方向へと、加熱された復熱器７中を別々に通過させることができ、そこでそれらを反応器システムの中心領域１３又はその付近で発熱反応又は燃焼のために組み合わせることができる。

再生ステップの例を図６の図６Ｂに示す。再生は、その後の反応サイクルのために反応層１を熱的に再生するために、回収されたかなりの熱を復熱器領域７から反応領域１へと伝達することを伴うことが可能である。再生ガス／反応物は、例えば導管１９を通して復熱器領域７に入り、復熱器領域７を通って、そして反応領域１中まで流れることができる。その際、図６の図６Ａ中の反応サイクルの間に発達する温度勾配のグラフとは反対方向であるが、それに類似して、図６Ｂ中の例示的なグラフ上で矢印によって示されるように、温度勾配６及び８は層を横切って移動し得る。燃料及び酸化体反応物は、復熱器領域７及び反応領域１のインターフェース１３付近の領域で燃焼してもよい。燃焼の熱と一緒に復熱器領域から回収される熱を反応領域へ伝達することが可能であり、そしてその中に配置される再生反応モノリス及び／又は層１を熱的に再生する。

いくつかの態様において、チャネル内の導管のいくつかは、少なくとも一部において第１の反応器の第１の端部（１７）におけるいくつかの混合による第１及び第２の反応物の混合物を運搬してもよい。しかしながら、第１及び第２の反応物の可燃性混合物を運搬する導管の数は、第１の反応器の第２の端部を出た後まで化学量論的に反応可能な反応物の大多数が反応しないように、十分に低くなることが可能である。反応物の混合物を運搬するそれらの導管中の燃焼又は発熱反応の開始の軸位置は、温度、時間及び流体力学の組合せによって制御可能である。燃料及び酸素は、通常、燃焼までの温度依存的且つ混合物依存的な自己発火時間を必要とする。しかしながら、いくつかの反応は、反応物の混合物を運搬する導管の軸部分内で起こり得る。しかしながら、そのような反応を有するチャネルの数は十分に小さいことが可能であり、反応器内の全体的な熱バランスに及ぼす影響が許容可能であるか、又は重要ではないレベルであるため、この反応は許容可能である。特定の反応器システムの設計詳細は、導管中での反応物の混合を無理なく可能な限り多く避けるように選択される。

図７は、効率的な再生熱を達成するために燃料及び酸化体の燃焼を制御及び延期するためのいくつかの用途において適切であり得る別の例示的な反応器システムを示す。図７は、再生サイクルで作動する単一反応器システムを示す。反応器システムは、２つの反応器領域を含むと考えられ得る。復熱器２７は、第１にクエンチが起こり、そしてガスが図６の反応器コア１３の付近又は内部に達するまで燃焼を引き起こすことなく、反応媒体を通して両方のクエンチ反応ガスを伝達するための実質的に単離されたフロー経路又はチャネルを提供する領域であることが可能である。改質器２は、再生熱及びメタン（及び／又は炭化水素）改質が主に生じる反応器であることが可能であり、そして本明細書中の目的に関して第２の反応器として考えられ得る。反応器システムの第１及び第２の反応器が別々に区別できる反応器として特定されているが、第１及び第２の反応器が、共通の単一反応器層へと製造、提供、又は他の様式で組み合わされてもよく、それによって、反応器システムは、単に反応器内で両サイクルを集積化する単一反応器のみを含むと記載されてもよいことは理解される。「第１の反応器」及び「第２の反応器」という用語は、それによって再生、改質、クエンチなどのそれぞれのステップが生じ、且つ２つの反応器のために別の構成要素が利用されることが要求されない反応器システム内のそれぞれの領域を単に指すことができる。しかしながら、種々の態様は、それによって復熱器反応器が本明細書に記載される導管及びチャネルを含み、且つ改質器反応器が導管を同様に所有し得る、反応器システムを含むことができる。その上、又は代わりに、いくつかの態様は、復熱器反応器層とは異なって配置されて、且つ復熱器反応器層とは異なる材料を含み得る改質器反応器層を含み得る。

上記の通り、第１の反応器又は復熱器２７は、復熱器２７の第１の端部２９中に入った後、そしてその中に配置された再生層を通して、２つ又はそれ以上のガスを別々に向けるための種々のガス導管２８を含むことができる。第１のガス３０は、複数のフロー導管２８の第１の端部に入ることができる。フローチャネルを提供することに加えて、導管２８は第１及び第２の反応物の間でのクロス流れ又は混合を妨げ、そして混合が容認されるまで、大多数の反応物が互いから有効に分離される状態を維持するために有効なフローバリア（例えば、導管壁などの機能を有効に果たすもの）を含むこともできる。上記の通り、第１及び第２のチャネルのそれぞれは複数のチャネル又はフロー経路を含むことができる。第１の反応器は、それぞれが分離した第１及び第２のチャネルを含む、複数の実質的に平行なフローセグメントを含み得る。

いくつかの態様において、上記の通り、復熱器は、１つ又はそれ以上の押出成形されたハニカムモノリスから構成されることが可能である。それぞれのモノリスは、第１又は第２の反応物の１つに対するフローチャネル（例えばフロー経路）を提供し得る。それぞれのチャネルは、好ましくは複数の導管を含む。或いは、モノリスは、それぞれの反応物に対して１つ又はそれ以上のチャネルを含み得、導管の１つ又はそれ以上のチャネル又は群が反応物の１つ又はそれ以上の流れを流動させるように機能し、導管の残りの部分は、他の反応物の１つ又はそれ以上の流れを流動させる。チャネルの間のインターフェースにおいて、複数の導管が第１及び第２の反応物の混合物を運搬し得るが、導管のこの数は比例して小さいことは認識される。

モノリスが使用される態様において、モノリスは、触媒表面として使用するために適切な任意の都合のよい形状を有し得る。モノリスの例は、押出成形されたハニカムモノリスであることが可能である。ハニカムモノリスは、間に薄壁を有する状態で平行に配置される、多くの（例えば２以上を意味する複数）小さいガスフロー経路又は導管を含む、押出成形された構造であることが可能である。小型反応器は単一モノリスを含み得るが、大型反応器は多数のモノリスを含むことができ、そしてなおより大きい反応器は、多くのハニカムモノリスの配列によって実質的に充填され得る。それぞれのモノリスは、形成（例えば正方形又は六角形の）断面、並びにブロックが互いの上に、後ろに、及び横にあるように２次元又は３次元の積み重ねを有するモノリスブロックを押出成形することによって形成され得る。それらは最小圧力低下で高い伝熱容量を提供するので、モノリスは反応器内部構造として魅力的となることが可能である。

いくつかの態様において、ハニカムモノリスは、２５％～５５％の開口正面領域（又は幾何学的空隙体積）を有すること、及び１平方インチあたり５０～２０００の細孔若しくはセル（ＣＰＳＩ）、又は１平方インチあたり１００～９００のセル、又は１平方インチあたり１００のセル～１平方インチあたり６００のセルの導管密度を有することを特徴とすることが可能である。例えば、一実施形態において、導管は、約１ミリメートル程度などの数ミリメートルのみの直径／特徴セル側面長さを有し得る。モノリス又は別の層媒体などの反応器媒体構成要素は、反応物を運搬するために使用される第１の反応器の体積に基づき、５０フィート^－１～３０００フィート^－１（約０．１６ｋｍ^－１～約１０ｋｍ^－１）、又は１００フィート^－１～２５００フィート^－１（約０．３２ｋｍ^－１～約８．２ｋｍ^－１）、又は２００フィート^－１～２０００フィート^－１（約０．６５ｋｍ^－１～約６．５ｋｍ^－１）の範囲の単位体積あたりの平均湿潤表面積を有するパッキングを含むチャネルを提供することができる。単位体積値あたりのこれらの比較的高い表面積は、図６の図１２（ａ）又は１２（ｂ）に示される例示的な温度勾配プロファイルグラフ中の比較的急な勾配によって一般に示されるものなどの反応器中の温度の比較的速い変化を達成することを助けることができる。

反応器媒体構成要素は、高い体積熱伝達率（例えば、０．０２ｃａｌ／ｃｍ^３秒℃以上、又は０．０５ｃａｌ／ｃｍ^３秒℃以上、又は０．１０ｃａｌ／ｃａｌ／ｃｍ^３秒℃以上）を含むパッキングを含み；フローに対する低い抵抗（低い圧力低下）を有し；再生の間に生じる最高温度と一致する作動温度範囲を有し；熱ショックに対する高い抵抗を有し；且つ／或いは高いバルク熱容量（例えば、０．１０ｃａｌ／ｃｍ^３秒℃以上、又は０．２０ｃａｌ／ｃｍ^３秒℃以上）を有するチャネルを提供することもできる。高い表面積値と同様に、これらの比較的高い体積熱伝達率値及び／又は他の特性は、図６の図１２（ａ）及び１２（ｂ）中のものなどの例示的な温度勾配プロファイルグラフ中で比較的急な勾配によって一般に示されるものなどの反応器を通しての温度の比較的速い変化を達成することを助けることができる。記載された値は、反応物の運搬のために使用される反応器の体積に基づく平均である。

種々の態様において、適切な熱伝達率は、５００℃未満、又は１００℃未満、又は５０℃未満の熱伝達パラメーター（ΔＴＨＴ）によって特徴づけることができる。パラメーターΔＴＨＴは、本明細書で使用される場合、層の体積熱伝達率（ｈｖ）に対する、復熱のために必要とされる層平均体積熱伝達率の比率である。復熱のために十分である体積熱伝達率（例えば、ｃａｌ／ｃｍ^３秒）は、ガス熱容量（例えば、ｃａｌ／ｇ℃）及び所望のエンドツーエンドの温度変化（任意の反応を除く、例えば、℃）とのガス流速（例えば、ｇ／秒）の積として算出することができ、次いで、この量を、ガスが横断する反応器（又は反応器の一部分）の体積（例えば、ｃｍ^３）によって割ることができる。層の体積熱伝達率（ｈｖ）は、典型的に、面積ベースの係数（例えば、ｃａｌ／ｃｍ^２秒℃）と、しばしばパッキングの湿潤面積と記載される熱伝達のための特定の表面積（ａｖ、例えば、ｃｍ^２／ｃｍ^３）との積として算出することができる。

いくつかの態様において、形成された焼結セラミック組成物にウォッシュコートを添加することができる。ウォッシュコートによって、焼結セラミック組成物が追加的な触媒金属で含浸されることを可能にすることができる。

追加的な触媒金属をウォッシュコートに組み込むための１つの選択肢は、初期湿り度による飽和によってなど、追加的な触媒金属によって触媒支持体を含浸することであることが可能である。含浸は、硝酸テトラアンミン白金又は硝酸ロジウム水和物などの適切な金属塩又は他の触媒金属前駆体の水性溶液を用いて実行することができる。次いで、含浸させた支持体を、乾燥及び／又は触媒金属前駆体の分解のために焼成することが可能である。加熱ステップのための様々な温度プロファイルは潜在的に使用可能である。支持体を乾燥させるために、１００℃～２００℃の温度で、３０分間～２４時間の加熱などの１つ又はそれ以上の初期乾燥ステップを使用することができる。触媒金属前駆体化合物を分解する焼成は、含浸された触媒金属化合物の性質次第で、２００℃～８００℃の温度、３０分間～２４時間であることが可能である。乾燥ステップ及び／又は分解焼成ステップは、触媒金属のための前駆体次第で任意選択的であることが可能である。追加的な触媒金属の例としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ及びその組合せが含まれるが、これに限定されない。

別の実施形態は、モノリス以外の反応媒体を使用してもよく、それによって、チャネル導管／フロー経路は、限定されないが、反応器の一部分を通過するチャネルを有する入り組んだ、変化に富むフロー経路、導管、チューブ、スロット及び／又は細孔構造を含む、より屈曲した経路（例えば、回旋状、複合型、螺旋状及び／又はねじれ状であるが、線形又は管状）を含み得、そしてガスに対して実質的に有効な透過性を有さない、セグメントの外側表面に沿って、又はサブセグメント内でなどバリア部分、及び／又は反応ガスの間でのクロス流れを防ぐため、そして第１及び第２の反応ガスを実質的に互いに分離させて維持するが、軸方向に復熱器２７を通過するために適切な他の手段を含み得る。そのような他の種類の反応器媒体は、そのような媒体の少なくとも一部分が、本明細書に記載のセラミック触媒組成物を焼結し、続いて触媒を活性化するために還元条件にそのような媒体を暴露することによって形成可能である限り、適切であることが可能である。そのような実施形態に関して、複合フロー経路は、有効フロー経路の延長、表面積の増加、熱伝達の改善をもたらし得る。そのような設計は、反応器を通過する比較的短い軸の長さを有する反応器実施形態に関して好ましくなり得る。軸方向がより長い反応器の長さは、反応器を通しての圧力低下の増加を経験し得る。しかしながらそのような実施形態に関して、多孔質及び／又は浸透性媒体は、例えば、充填層、タイルの配列、浸透性固体媒体、実質的にハニカム型の構造、繊維配列及びメッシュ型格子構造の少なくとも１つを含み得る。

いくつかの態様において、逆流反応器は、導管の選択された部分への１つの反応物のフロー流を導くためのいくつかの種類の装置又は方法を含むことができる。図７の例示的な実施形態において、ガス分配器３１は、本明細書中チャネル３３として例示される、第１のガスチャネルから実質的に単離されているか、又は流体連通していない第２のガス流チャネルへと第２のガス流３２を導くことができる。その結果、ガス流３３の少なくとも一部分が、復熱器２７の軸輸送の間、ガス流３０とは分離されて保持されることが可能となる。いくつかの態様において、復熱器領域の再生層及び／又はモノリスは、第１の反応物チャネルを第２の反応物チャネルから単離する、ガス又は流体バリアを有するチャネルを含むことができる。それによって、チャネル手段を通過する少なくとも２つの反応ガスの両方とも、再生層を完全に通過し得、再生層をクエンチし、熱を反応ガス中に吸収させ、その後、組み合わせられて、燃焼領域で互いに反応する。

種々の態様において、（流体を含む）ガス３０及び３２は、他の反応物３０及び３２中の成分と反応し、組み合わされるときに発熱反応を生じる成分をそれぞれ含むことができる。例えば、第１及び第２の反応物のそれぞれは、他の燃料及び酸化体と組み合わせられる時に燃焼する燃料ガス及び酸化体ガスの１つを含み得る。実質的に反応物を分離しておくことによって、発熱反応により起こる発熱の位置を制御することができる。いくつかの態様において、「実質的に分離される」とは、反応物の最小又は限定的な化学量論的に反応可能な量を有する反応物の少なくとも５０パーセント、又は少なくとも７５パーセント又は少なくとも９０パーセントが、第１及び第２の反応物流の間で、これらのガスが復熱器２７のそれらの軸輸送を完成させた点まで、反応によって消費されなかったことを意味するように定義されることができる。このように、第１の反応物３０の大多数は第２の反応物３２の大多数から単離しておくことが可能であり、そして反応物３０及び３２を組み合わせる反応からの発熱の大多数は、反応物が復熱器２７から出始めた後に生じることが可能である。反応物はガスであることが可能であるが、任意選択的に、いくつかの反応物は、液体、混合物又は気相を含み得る。

これらの再生流に関する反応のパーセントは、全体的な供給の化学量論に基づいて可能である反応のパーセントを意味する。例えば、ガス３０が１００体積の空気（８０体積のＮ_２及び２０体積のＯ_２）を含み、ガス３２が１０体積の水素を含む場合、最大化学量論的反応は、１０体積の水素（Ｈ_２）と５体積の酸素（Ｏ_２）の燃焼であり、１０体積のＨ_２Ｏが生じる。この場合、１０体積の水素が復熱器領域（２７）で実際に燃焼する場合、これは再生流の１００％反応を表すだろう。これは、残留未反応酸素の存在にもかかわらず、この例では未反応の酸素が化学量論的必要条件より多い量で存在したためである。したがって、この例では、水素は化学量論的限定成分である。この定義を使用して、再生流の５０％未満の反応、又は２５％未満の反応又は１０％未満の反応が、復熱器（２７）の軸輸送の間に生じることが可能である。

種々の態様において、チャネル２８及び３３は、セラミック（ジルコニアを含む）、アルミナ、或いは１２００℃又は１４００℃又は１６００℃を超える温度に耐えることができる他の耐火性材料を含むことが可能である。その上、又は代わりに、チャネル２８及び３３は、５０フィート^－１～３０００フィート^－１、又は１００フィート^－１～２５００フィート^－１、又は２００フィート^－１～２０００フィート^－１の湿潤領域を有することが可能である。

再び簡単に図６を参照して、反応器システムは、第１の端部９及び第２の端部１１を含有する第１の反応器７と、第１の端部３及び第２の端部５を含有する第２の反応器１とを含むことができる。図６及び７中に示される実施形態は、単に説明的な目的のために提供される単純な例証であり、包括的な実施形態を表すように意図されない。反応器の「端部」に対する参照は、単に反応器の軸中間点に関する反応器の末端部分を指すだけである。したがって、ガスが端部９などの反応器の「端部」に入る、又は出ると言うことは、反応器のそれぞれの端部表面と反応器の中間点との間の軸に沿って、しかし、好ましくは中間点よりも、端部により近く、ガスが種々の点のいずれかにおいて実質的に入ってよいか、又は出てよいことを単に意味する。それによって、第１及び第２の反応ガスの一方又は両方がそれぞれの端部表面から入ることができるが、他は、反応器のそれぞれの端部の円周又は周辺部外面のスロット又はポートから反応器のそのそれぞれの端部に供給される。

プロセス例－逆流改質及び再生
逆流反応器システム中で実行可能な反応の例は、Ｈ_２Ｏの存在下の蒸気改質条件下、ＣＯ_２の存在下の乾燥改質条件下、又は反応環境中にＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の両方が存在する条件下での炭化水素の改質である。逆流反応器などのスイング反応器中での改質の間の作動の一般概要として、反応サイクルの再生ステップ又は部分を使用して反応器のための熱を提供することができる。次いで、改質はサイクルの改質ステップ又は部分の間に生じることが可能であり、改質反応によって、反応器再生ステップの間に提供された熱が消費される。反応器再生の間、燃料、酸化体及び希釈剤は、反応器の再生端部から反応器中に導入される。反応器の再生部分中の層及び／又はモノリスは熱を吸収することができるが、再生部分の少なくとも一部分は典型的に改質のための触媒を含まない。燃料及び酸化体が再生部分を通過すると、熱は再生部分から燃料及び酸化体へ伝達する。燃焼はすぐに生じないが、その代わりに、燃焼の位置が反応器の中央部分で生じるように制御される。燃料、酸化体及び希釈剤のフローは再生ステップの間に継続し、そして反応器の反応領域／改質端部中への燃焼から生じる熱の追加的な伝達が導かれる。

十分な時間の後、燃焼反応は停止される。いずれの残留燃焼生成物及び／又は反応物も、任意選択的に除去が可能である。次いで、反応サイクルの改質ステップ又は部分を開始することができる。改質のための反応物は、反応器の改質端部中に導入可能であり、したがって、再生の間のフローに対して反対方向で有効に流動することができる。反応器の改質部分中の層及び／又はモノリスは、改質のための触媒を含むことができる。種々の態様において、触媒の少なくとも一部分は、本明細書中に記載されるセラミック組成物から形成される触媒に相当することが可能である。改質が生じると、燃焼の間に改質領域に導入される熱は、吸熱改質反応によって消費されることが可能である。改質領域を出た後、改質生成物（及び未反応反応物）は、改質触媒にもはや暴露されない。改質生成物が再生領域を通り抜けた後、生成物から再生領域へ熱を伝達することができる。十分な時間の後、改質プロセスは停止可能であり、残りの改質生成物は、任意選択的に反応器から回収又は除去されることが可能であり、そしてサイクルを再び再生ステップによって開始することができる。

反応器内で実行される改質反応は、Ｈ_２Ｏの存在下、蒸気改質を使用して、ＣＯ_２の存在下、乾燥改質を使用して、又はＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の両方の存在下、「バイ（ｂｉ）」改質を使用して、メタン及び／又は他の炭化水素を改質することに相当すること可能である。メタンの蒸気、乾燥及び「バイ」改質に関する化学量論の例は方程式（２）～（４）に示される。
（２）乾燥改質：ＣＨ_４＋ＣＯ_２＝２ＣＯ＋２Ｈ_２
（３）蒸気改質：ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ_２
（４）バイ改質：３ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＝４ＣＯ＋８Ｈ_２。

方程式（２）～（４）に示すように、乾燥改質は、蒸気改質よりも低いＣＯに対するＨ_２の比率を生じることが可能である。蒸気のみで実行される改質反応は、２．５～３．５などの約３のＣＯに対するＨ_２の比率を一般に生じることが可能である。対照的に、ＣＯ_２の存在下で実行される改質反応は、ＣＯに対するＨ_２のより低い比率、おそらく約１．０以下の比率を生じることが可能である。改質の間にＣＯ_２及びＨ_２Ｏの組合せを使用することにより、改質反応は、得られる合成ガス中で広範囲のＣＯに対するＨ_２の比率を生じるように潜在的に制御可能である。

なお、合成ガス中のＣＯに対するＨ_２の比率は、水性ガスシフト平衡次第となる可能性がある。上記の化学量論は乾燥改質及び蒸気改質に関して約１又は約３の比率をそれぞれ示すが、合成ガス中のＨ_２及びＣＯの平衡量は反応化学量論とは異なる可能性がある。平衡量は、水性ガスシフト平衡に基づいて決定することができる。

ロジウム及び／又はニッケルなどの多くの改質触媒も、水性ガスシフト触媒として有用となることが可能である。したがって、Ｈ_２及びＣＯを生成するための反応環境がＨ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２も含む場合、改質反応からの初期化学量論は水性ガスシフト平衡に基づいて変更されてもよい。この平衡は温度依存性でもあり、ＣＯ及びＨ_２Ｏの生成にはより高い温度が好ましい。なお、より高い温度では、平衡に到達するための速度も改善することができる。その結果、高温で改質反応を実行する能力は、いくつかの利益を潜在的に提供することができる。例えば、過剰量のＨ_２Ｏを有する環境で蒸気改質を実行する代わりに、ＣＯ_２を反応環境に添加することができる。これは、乾燥改質化学量論に基づいて生成されるＣＯに対するＨ_２の比率の減少、並びに水性ガスシフト平衡に基づいて生成されるＣＯに対するＨ_２の比率の減少の両方とも可能にする。代わりに、より高いＣＯに対するＨ_２の比率が所望である場合、ＣＯ_２を環境から除去することが可能であり、そして望ましい種類の合成ガスを生成するために、ＣＨ_４（又は他の炭化水素）に対するＨ_２Ｏの比率を制御することができる。このことから、供給成分の適切な量を選択することによって、０．１～１５、又は０．１～３．０、０．５～５．０、又は１．０～１０のＣＯに対するＨ_２の比率を有する合成ガスの生成を潜在的に可能にすることができる。

方程式（２）～（４）に示される改質反応は吸熱反応である。商業規模の改質での課題の１つは、所望の合成ガス生成物中への追加成分の導入を減少又は最小化しながら、効率的な様式で改質反応を実行するために熱を提供することである可能性がある。逆流反応器システムなどの周期的反応システムは、改質ステップ及び再生ステップを含むサイクルを有することによって、望ましい様式で熱を提供することができる。再生ステップの間、燃焼は反応器の選択された領域内で実行可能である。再生の間のガスフローは、この熱を燃焼領域から反応器中の改質領域の追加的な部分の方へ伝達することを補助することができる。燃焼からの生成物を反応物及び／又は改質からの生成物中に組み込むことを減少又は最小化することができるように、サイクル内での改質ステップは別々のステップであることが可能である。改質ステップは熱を消費することが可能であり、そして、それによって改質領域の温度を減少することができる。改質からの生成物が反応器を通ると、改質生成物を、改質又は水性ガスシフト触媒が不足する第２の領域に通過させることができる。これによって、反応器を出る前に反応生成物を冷却することが可能となる。次いで、改質生成物から反応器へ伝達した熱は、次の燃焼又は再生ステップのために、反応物の温度を増加させるために使用されることができる。

メタンのための１つの共通供給源は、天然ガスである。いくつかの用途において、関連する炭化水素及び不純物ガスを含む天然ガスは、改質反応のための供給として使用されてもよい。供給される天然ガスは、スイートイングされ、且つ／又は脱水された天然ガスであってもよい。天然ガスは、一般に、好ましくはメタンより低い濃度で、種々の濃度のエタン及び他のアルカンなどの関連ガスを含む。供給される天然ガスは、Ｈ_２Ｓ及び窒素などの不純物を含み得る。より一般に、改質のための炭化水素供給は、メタン及び／又は他の炭化水素のいずれかの都合のよい組合を含むことができる。任意選択的に、改質供給物は、アルコール又はメルカプタンなどのいくつかの炭化水素系化合物を含んでもよい。炭化水素系化合物は、炭化水素と類似であるが、炭素及び水素とは異なる１つ又はそれ以上のヘテロ原子を含む。いくつかの態様において、供給物中に存在する追加的な成分は、改質サイクルなどの還元サイクルの間に触媒モノリスに吸着可能な硫黄などの不純物に相当することができる。そのような不純物は、その後のサイクルで酸化されて、硫黄酸化物を形成することが可能であり、これは、次いで、反応環境中に追加的な硫黄含有成分（又は他の不純物含有成分）を放出するために、還元することが可能である。

いくつかの態様において、改質のための供給物は、改質のための供給物中の炭化水素の全重量と比較して、５重量％以上、又は１０重量％以上、又は１５重量％以上、又は２０重量％以上、例えば最高５０重量％まで、又は可能であればさらに高い重量％のエタン又はプロパンなどのＣ_２＋化合物を含むことができる。なお、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２などの燃焼環境中で非反応性である窒素及び／又は他のガスも改質のための供給物中に存在してもよい。改質器がオンボード改質環境に相当する態様において、そのような非反応性生成物は、例えば改質器中への排気ガスのリサイクルに基づき、供給物に任意選択的に導入可能である。その上、又は代わりに、改質のための供給物は、４０重量％以上、又は６０重量％以上、又は８０重量％以上又は９５重量％以上のメタンを含むことが可能であり、例えば供給物はメタンから実質的に構成される（９８重量％以上）ことができる。改質が蒸気改質に相当する態様において、供給物中の炭素原子に対する蒸気分子のモル比は０．３～４．０であることが可能である。なお、エタンは１分子あたり２個の炭素原子を有するが、メタンは１分子あたり１個の炭素原子を有する。改質が乾燥改質に相当する態様において、供給物中の炭素原子に対するＣＯ_２分子のモル比は、０．０５～３．０であることが可能である。

逆流反応器の改質領域内で、温度は、熱がどのように反応器に加えられるかという性質、及び／又は改質反応の動力学のために、領域を越えて異なることが可能である。領域の最高温度部分は、典型的に反応器の中央部分の付近に見ることができる。この中央部分を、再生の間に燃焼が開始する混合領域と記載することができる。混合領域の少なくとも一部分は、改質触媒を有するモノリスが混合領域に延在する場合、改質領域の部分に相当することができる。その結果として、再生の間に燃焼が開始する位置は、典型的に反応器内の改質領域の端部に近くなることが可能である。なお、反応器のいくつかの部分が燃焼領域及び反応領域の両方に相当することが可能であるように、反応器内の燃焼触媒の位置が反応器内で改質触媒の位置と重なり合うことが可能である。反応器の中心から反応器の端部へと温度が減少することができる。その結果として、（反応器の端部の）改質領域の開始における温度は、（反応器の中央部分の）改質領域の端部における温度より冷たくなることが可能である。

改質反応が起こると、改質領域内の温度は減少することが可能である。温度の減少速度は、改質するために利用可能な炭化水素の量及び／又は改質領域の所与の位置における温度の動力学因子に関連することが可能である。改質供給物が改質領域を端部まで移動すると、供給物の反応物を消費することが可能であり、それによって、下流位置で生じる改質の量を減少させることができる。しかしながら、反応物が改質領域を横切って移動する時の改質領域の温度の増加によって、反応速度の増加を導くことができる。

約５００℃において、改質のための反応速度を十分に減少させることが可能であり、追加的な改質がほとんど生じないか、生じないであろう。その結果として、いくつかの態様において、改質反応が進行すると、改質領域の開始部分は十分に冷却することが可能であり、改質領域の一部分の範囲内で改質反応を有効に停止させる。これによって、反応器内での改質が開始する位置を、改質領域の開始に対してさらに下流である位置に移動させることが可能である。改質領域の十分な部分が５００℃未満、又は６００℃未満の温度を有する場合、反応サイクル中の改質ステップを停止させて、再生を実行することが可能となる。代わりに、再生の間に反応器に導入される熱量に基づいて、改質の間に消費される熱（及び環境への熱損失）量は、再生の間に加えられる熱量とほぼバランスがもたらされるように、反応時間の量に基づき、反応サイクルの改質部分を停止させることができる。改質プロセスが停止された後、まだ反応器中にあるいずれの残留する合成ガス生成物も反応サイクルの再生ステップを開始する前に任意選択的に回収することができる。

次いで、再生プロセスを開始することができる。再生の間、メタン、天然ガス又はＨ_２及び酸素などの燃料を反応器に導入して、燃焼することができる。燃料及び酸化体を混合することが可能である位置は、例えば別々のチャネルを通して燃料及び酸化体を導入することによって、いずれかの都合のよい様式で制御可能である。再生の間に、反応物が反応器の中心部に到達するまで燃焼を延長することによって、反応器の非改質端部をより低い温度に維持することができる。これによって、反応器の中央部分で温度ピークを得ることができる。温度ピークは、改質触媒も含む反応器の一部分の範囲内にあることができる。再生サイクルの間、サイクルの改質部分の間に改質が可能となるために十分に、改質反応器内の温度を増加させることができる。これによって、１１００℃以上、又は１２００℃以上、又は１３００℃以上、或いは潜在的にさらにより高い温度の反応器内ピークの温度を得ることができる。

プロセスサイクルの改質及び再生部分に関する相対的な時間の長さ及び反応物流速は、再生の間に提供される熱と、改質の間に消費される熱との間でバランスがもたらされるように選択可能である。例えば、１つの選択肢は、再生ステップと類似の長さを有する改質ステップを選択することであることが可能である。改質ステップの間の炭化水素、Ｈ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２の流速に基づき、改質反応に関する吸熱性の熱需要を決定することができる。次いで、この熱需要を使用して、再生ステップの間の燃焼反応物に関する流速を算出することができる。もちろん、他の態様において、改質及び再生の間の熱のバランスを、反応物の所望の流速を決定して、次いで、再生によって提供される熱と改質の間に消費される熱とのバランスがもたらされるようにサイクル長さを選択することによってなどの他の様式で決定することができる。

熱を提供することに加えて、反応サイクルの間の反応器再生ステップは、改質領域中で触媒からのコーク除去を可能にすることもできる。種々の態様において、再生ステップの間、１つ又はそれ以上の種類の触媒再生が潜在的に起こることが可能である。触媒再生の１種は、触媒からのコークの除去に相当することが可能である。改質の間、改質領域に導入される炭化水素の一部分は、ＣＯ又はＣＯ_２を形成する代わりにコークを形成することができる。このコークは、触媒の触媒部位（金属部位など）へのアクセスを潜在的に妨害する可能性がある。いくつかの態様において、形成速度は、８００℃以上、又は９００℃以上、又は１０００℃以上の温度まで暴露される改質領域の部分などの、より高い温度に暴露される改質領域の部分において増加することが可能である。再生ステップの間、改質領域の温度が増加すると酸素が存在する可能性がある。再生の間に達成される温度において、改質の間に生じるコークの少なくとも一部分をＣＯ又はＣＯ_２として除去することができる。

反応器内での温度の変動のため、反応器内、及び／又は反応器の改質領域内の温度を特徴づけるために、いくつかの選択肢を使用することができる。温度を特徴づけるための１つの選択肢は、改質領域内の平均的層又は平均モノリス温度に基づくものであることが可能である。実際的な設定において、反応器内の温度の決定は、熱電対などの測定デバイスの存在を必要とする。改質領域内の温度を測定することを試みるよりは、むしろ、改質領域内の平均（層又はモノリス）温度は、改質領域の開始における温度及び改質領域の端部における温度の平均に基づいて定義することができる。別の選択肢は、反応サイクルの再生ステップ後の改質領域内のピーク温度を特徴づけることであることが可能である。一般に、ピーク温度は、改質領域の端部又はその付近で生じることが可能であり、燃焼が反応器中で開始する位置次第であり得る。さらに別の選択肢は、反応サイクル内の異なる時間における反応領域内の所与の位置における温度差を特徴づけることであることが可能である。例えば、温度差は再生ステップの端部における温度と改質ステップの端部における温度との間で決定することができる。そのような温度差は、反応器内のピークの温度の位置、改質領域への入口、改質領域からの出口、又は他のいずれかの都合のよい位置で特徴づけることができる。

種々の態様において、炭化水素改質のための反応条件は、４００℃～１２００°（又はそれ以上）の範囲の平均改質領域温度；８００℃～１５００℃の改質領域内のピークの温度；２５℃以上、又は５０℃以上、又は１００℃以上、又は２００℃以上、例えば最高８００℃、又は可能であればさらにより高い温度の再生ステップの端部とその後の改質ステップの端部との間のピーク温度の位置における温度差；２５℃以上、又は５０℃以上、又は１００℃以上、又は２００℃以上、例えば最高８００℃、又は可能であればさらにより高い温度の再生ステップの端部とその後の改質ステップの端部との間の改質領域への入口における温度差；及び／又は２５℃以上、又は５０℃以上、又は１００℃以上、又は２００℃以上、例えば最高８００℃、又は可能であればさらにより高い温度の再生ステップの端部とその後の改質ステップの端部との間の改質領域からの出口における温度差の１つ又はそれ以上を含むことができる。

平均改質領域温度に関して、種々の態様において、改質領域のための平均温度は、５００℃～１５００℃、又は４００℃～１２００℃、又は８００℃～１２００℃、又は４００℃～９００℃、又は６００℃～１１００℃、又は５００℃～１０００℃であることが可能である。その上、又は代わりに、（おそらく再生反応物の燃焼のための位置に近い改質領域における位置に相当する）改質領域のピークの温度に関して、ピークの温度は、８００℃～１５００℃、又は１０００℃～１４００℃、又は１２００℃～１５００℃、又は１２００℃～１４００℃であることが可能である。

その上、又は代わりに、炭化水素改質の反応条件は、０ｐｓｉｇ～１５００ｐｓｉｇ（１０．３ＭＰａ）、又は０ｐｓｉｇ～１０００ｐｓｉｇ（６．９ＭＰａ）、又は０ｐｓｉｇ～５５０ｐｓｉｇ（３．８ＭＰａ）の圧力；及び１０００時間^－１～５０，０００時間^－１の改質反応物の気体空間速度を含むことができる。空間速度は、単位時間あたりのモノリスの体積に対する反応物の体積に相当する。モノリスの体積は、固体円柱である場合のモノリスの体積として定義される。

いくつかの態様において、高温で改質反応を作動することの利点は、改質供給物中のメタン及び／又は他の炭化水素の実質的に全てを変換する能力であることが可能である。例えば、水が改質反応環境中に存在する改質プロセス（すなわち、蒸気改質又はバイ改質）に関して、反応条件は、改質供給物中のメタンの１０重量％～１００重量％、又は２０重量％～８０重量％、又は５０重量％～１００重量％、又は８０重量％～１００重量％、又は１０重量％～９８重量％、又は５０重量％～９８重量％の変換のために適切であることが可能である。その上、又は代わりに、反応条件は、改質供給物中の炭化水素の１０重量％～１００重量％、又は２０重量％～８０重量％、又は５０重量％～１００重量％、又は８０重量％～１００重量％、又は１０重量％～９８重量％、又は５０重量％～９８重量％の変換のために適切であることが可能である。

他の態様において、二酸化炭素が改質反応環境中に存在する改質プロセス（すなわち、乾燥改質又はバイ改質）に関して、反応条件は、改質供給物中のメタンの１０重量％～１００重量％、又は２０重量％～８０重量％、又は５０重量％～１００重量％、又は８０重量％～１００重量％、又は１０重量％～９８重量％、又は５０重量％～９８重量％の変換のために適切であることが可能である。その上、又は代わりに、反応条件は、改質供給物中の炭化水素の１０重量％～１００重量％、又は２０重量％～８０重量％、又は５０重量％～１００重量％、又は８０重量％～１００重量％、又は１０重量％～９８重量％、又は５０重量％～９８重量％の変換のために適切であることが可能である。

いくつかの別の態様において、改質反応は、試薬としてＣＯ_２を用いて改質が実行されるが、反応環境中のＨ_２Ｏの量が減少又は最小化される乾燥改質条件下で実行可能である。そのような別の態様において、改質反応のゴールは、１．０以下のＣＯに対するＨ_２の比率を有する合成ガスを生成することであることが可能である。いくつかの態様において、改質の間の温度は、蒸気改質に関して記載された温度範囲に相当することができる。任意選択的に、いくつかの態様において、乾燥改質反応は、５００℃～７００℃、又は５００℃～６００℃の間の低温で実行可能である。そのような態様において、ＣＯに対するＨ_２の比率は、０．３～１．０、又は０．３～０．７又は０．５～１．０であることが可能である。これらの条件下で乾燥改質反応を実行することによって、実質的なコーク生成を導く可能性がある。これは、触媒活性を維持するために再生の間に除去を必要とする可能性がある。

実施例１－高温での層流火炎速度
燃焼モデルを使用して、燃焼の間の希釈剤ガスの組成の変化に基づき、層流火炎変速を決定した。モデル化された燃焼反応において、Ｈ_２、Ｏ_２及び希釈剤のガスフローを燃焼した。燃料の量は、全ガスフローの約１０％に相当する。試験の第１の組合せにおいて、種々の量のＣＯ_２を有する希釈剤を使用して、４００℃、５００℃、６００℃及び７００℃の温度で燃焼をモデル化した。図２に、モデル化された燃焼反応からの火炎速度を示す。図２に示すように、５００℃以下の温度において、希釈剤ガスの性質は火炎速度に対して影響をほとんど有さないか、又は有さなかった。しかしながら、６００℃以上の温度において、１００体積％のＮ_２に相当する希釈剤ガスは、火炎速度の実質的な増大を示す。ＣＯ_２が希釈剤中にブレンドされると、火炎速度の増加は減少し、希釈剤中１０体積％以上のＣＯ_２量に関して、火炎速度の予想外に大きい減少が生じる。２５体積％又は３０体積％のＣＯ_２において、６００℃以上の火炎速度は、ほぼ５００℃以下の火炎速度値まで減少する。

なお、図２に示される火炎速度に関するモデル結果は、Ｈ_２の燃焼のための火炎速度に相当する。Ｈ_２の燃焼によって、Ｈ_２Ｏの生成がもたらされる。したがって、燃焼によって生成されるＨ_２Ｏに関する火炎速度のいずれの影響も、モデル結果に組み込まれる。

図３は、希釈剤中のＨ_２Ｏの様々な量の包含に関するモデル化結果の類似の組合せを示す。図３に示すように、Ｈ_２Ｏに関する火炎速度曲線は、ＣＯ_２に関する火炎速度曲線と類似である。したがって、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２の熱容量が１０％より高く異なる場合であっても、火炎速度の減少は両方とも類似である。７００℃において、Ｈ_２Ｏの添加によって、ＣＯ_２よりもわずかに大きい火炎速度の減少がもたらされることが分かる。

実施例２－３０％の高い熱容量ガスを含む再生希釈剤
パイロットスケール反応器（約１２インチ／約３０ｃｍの長さ）を使用して、逆流反応器システムの作動に及ぼす燃焼ガス出口温度の変更の影響及び利益を調査した。本明細書に提供される例は単一反応器からの結果に相当するが、当業者は複数の逆流反応器を含む反応システムへの以下の結果の適用を容易に理解するであろう。

パイロット反応器を使用して、種々の種類の希釈剤ガスを使用し、逆流反応器中で蒸気改質を実行した。蒸気改質は、２ｓｃｆ／分のメタン供給速度で実行された。再生ステップの間の流速は約１８ｓｃｆ／分（約５１０リットル／分）であった。これは、約１６．１ｓｃｆ／分（約４５５リットル／分）の希釈剤及び燃料として１．９ｓｃｆ／分（約５５リットル／分）のＨ_２を含んだ。反応ステップ及び再生ステップの両方に関する反応器の圧力は１５０ｐｓｉｇ（約１０００ｋＰａ－ｇ）であった。

図４Ａは、燃料及び希釈剤の組成物が反応器の再生ステップの間に経時的にどのように変わったのかを示す。最初に、再生の間の反応器へのフローの１０．６体積％は、燃料としてのＨ_２に相当した。初期の期間に、Ｎ_２は実質的に全ての希釈剤として使用されたが、燃焼反応のために酸化体を提供するために空気を使用することのために、空気中に典型的に存在する他のガスのいくらかのより少ない量が含まれた。これらの他のガスは、希釈剤の１５体積％未満に相当した。

反応器を特徴づけるために、再生ガスが入る反応器の端部から４インチ（約１０ｃｍ）において温度をサンプリングした。この位置は、反応器内の温度プロファイルの最大の位置にほぼ相当する。図４Ｂは、時間の関数としてのこの位置における温度を示す。図４Ｂに示すように、初期の期間に測定された位置反応器の温度は、１２００℃よりわずかに高かった。図４Ｂは、温度が再生ステップの端部での約１２２０℃の最大及びメタン改質ステップの端部での約８００℃の最小の間でサイクルされたことも示す。これは、約４２０℃の再生ステップと反応ステップとの間の温度差を表す。

約５００秒の作動後、図４Ａは、５．０標準立方フィート／分（約１４０リットル／分）のＮ_２希釈剤が、５．０標準立方フィート／分（約１４０リットル／分）のＣＯ_２と置き換わることを示す。これは、約３０体積％の希釈剤をＣＯ_２と置き換えることに相当した。他のインプットフローの温度、圧力及び体積を同一に維持した。図４Ｂに示すように、これによって、１２００℃より高い温度から１１００℃未満の温度への最大温度の減少が得られた。次に、燃料組成物は、１２００Ｃより高い温度までピークの温度を戻すために増加させる。このように、より高い燃料組成物を使用して、反応器内で同一温度プロファイルを作成した。これは、全希釈剤を約１５％減少することによって達成される。再生の間の再生体積フローが減少して、反応ステップの間に実行される改質の量は実質的に同一のままだった。これは、まだ類似の反応性を達成しながら、反応器内の再生体積フローを減少するための希釈剤としてのＮ_２を置き換えるためにＣＯ_２を使用することができることを実証する。反応ステップの間、同一又は類似の活性レベルを維持しながらも、作動温度の減少を維持することができたことを確認するために、約２０００秒間、反応器を作動させた。

２５００秒において、追加的なＮ_２を希釈剤から除去した。Ｎ_２を他の希釈剤と置き換える代わりに、図４Ａは、Ｈ_２の量がインプットフローの１０．６体積％から約１２．２体積％まで増加したことを示す。再生の間に生じる追加的な熱によって、反応ステップの間に追加的な改質が実行されることが可能となるため、このような燃料の量の増加はプロセス強化を表す。図４Ｂに示すように、これによって、反応器の最大温度は１２００℃よりわずかに高い温度まで増加した。したがって、再生の間に希釈剤の約１０体積％をＣＯ_２に置き換えることによって、約１．５体積％の再生の間に使用される燃料の量の増加（又は開始量に対して約１５％の増加）が可能となり、したがって、反応ステップの間の追加的なメタンのＨ_２への変換が可能となった。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂにおける条件と類似の条件下で実行される改質のためのサイクルに対するメタン変換時間を示す。図５に示すように、３０体積％のＣＯ_２を含むように希釈剤を変性することによって、希釈剤としてＮ_２のみを用いて再生ステップを作動する場合と実質的に同じ変換が得られた。

実施例３－熱効率
作業流体の体積を減少させた状態で高圧で逆流反応器を作動することの利点を示すために、熱効率の計算を実行し、炭素分離によるメタン改質を実行することに関する熱効率を決定した。第１の構成は、図１に示される構成と類似の、高熱容量作業流体を用いて高い再生圧力で逆流反応器を作動することに相当した。これによって、高圧、高純度ＣＯ_２生成物を生成するために最小量の追加的なプロセシングのみを必要とする高圧ＣＯ_２含有流が得られた。第２の構成は、熱を改質反応に提供するために使用される燃料からＣＯ_２を９０％回収するための従来のアミンプラントで、従来の蒸気メタン改質を実行することに相当した。次いで、回収されたＣＯ_２は、図１に示される構成によって生成された高圧ＣＯ_２含有流に匹敵する流れを生じるために圧縮された。

熱効率（ＬＨＶ基準）は、（分離のため２０００ｐｓｉｇへの圧縮後に）ＣＯ_２回収によって水素を生成するためにどの程度のエネルギーが必要かということを理解するために算出された。この目的のために、Ａｓｐｅｎ Ｐｌｕｓプロセスモデルが構成された。システムで必要とされるいずれの電気的仕事も、メタンの燃焼から生じ、５５％の熱効率で電気に変換されることが仮定された。プロセスモデルに関して、方程式５によって熱効率が定義された：

方程式（５）において、ＴＥは構成の百分率熱効率である。Ｎ_{Ｈ２，ｐｒｏｄｕｃｔ}は、１秒あたりのモルでのシステムによって生じるＨ_２のモルフローである。Ｈ_{Ｈ２，ＬＨＶ}は、ｋＪ／ｍｏｌでのより低い発熱量として表されるシステムによって生じるＨ_２の燃焼のモル熱である。Ｎ_{ＣＨ４，ｆｅｅｄ}は、１秒あたりのモルでの構成に対するメタンインプットのモルフローである。なお、これは、改質するための供給及び燃料として使用されるメタンの両方として使用されるメタンを含む。Ｈ_{ＣＨ４，ＬＨＶ}は、ｋＪ／ｍｏｌでのより低い発熱量として表されるＣＨ_４の燃焼のモル熱である。Ｗ_ｅｌｅは、圧縮又はＣＯ_２のアミン回収などのいずれかの追加的なプロセスの間で必要とされる電気的仕事の量である。

図１に示される構成によって、７７％の熱効率が得られた。圧縮が続くＣＯ_２のアミン回収による蒸気メタン改質に基づく比較構成では、６７％のみの熱効率が得られた。なお、ＣＯ_２のアミン回収及びＣＯ_２のその後の圧縮を行わない場合、蒸気メタン改質の熱効率は典型的に７２％～７５％である。したがって、ＣＯ_２のアミン回収及びその後の圧縮の追加によって、熱効率に関して５％～８％のマイナスが生じる。対照的に、典型的に従来の条件下で、且つＣＯ_２のアミン回収及びＣＯ_２のその後の圧縮を行わない場合の逆流反応器での改質は、７７％～８１％の熱効率を有する。したがって、高圧で、空気分離ユニットを用いて（すなわち、Ｎ_２をほとんど又は全く含有しない酸素含有ガスを用いて）改質を実行するように逆流反応器の作動を変更することによって、本明細書に記載される逆流反応器システムにおけるＣＯ_２の回収及び圧縮は、熱効率における損失が減少又は最小化された状態で達成された。

追加的な実施形態
実施形態１．燃焼ガスを形成するため、そして触媒組成物を含む反応領域中の１つ又はそれ以上の表面を６００℃以上の再生表面温度まで加熱するために、反応器内の燃焼領域中で０．７ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含む燃焼条件下で、燃料流、酸素含有流の体積に対して１５体積％以下のＮ_２を含む酸素含有流、及びリサイクル流を含む、燃料混合物の体積に対して０．１体積％以上のＯ_２及び２０体積％以上のＣＯ_２を含む燃料混合物を反応させること；燃焼ガスを分離して、少なくとも０．７ＭＰａ－ｇ以上の第２の圧力を含むＣＯ_２含有流とリサイクル流とを形成すること；並びに改質条件下、再生表面温度において反応領域中で触媒組成物に炭化水素含有流を暴露して、Ｈ_２及びＣＯを含む改質生成物流を形成することを含む、改質を実行する方法であって、反応領域中の炭化水素含有流の流れ方向が、燃料混合物の流れの方向に対して逆になる方法。

実施形態２．燃焼条件が１．４ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含むか；又は第２の圧力が１．４ＭＰａ－ｇ以上であるか；又はそれらの組合せである、実施形態１の方法。

実施形態３．燃焼条件が３．４ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含むか；又は第２の圧力が３．４ＭＰａ－ｇ以上であるか；又はそれらの組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態４．少なくともＣＯ_２含有流及びリサイクル流を形成するために燃焼ガスを分離する前に燃焼ガスを圧縮することをさらに含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態５．改質生成物流を水性ガスシフト反応条件に暴露して、シフトされた合成ガス生成物流を形成すること；及びシフトされた合成ガス生成物流を分離して、Ｈ_２含有流及びＣＯ_２を含む流れを形成することをさらに含み、シフトされた合成ガス生成物流が、任意選択的に、１０未満のＣＯに対するＨ_２のモル比を含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態６．シフトされた合成ガス生成物流が圧力スイング吸着によって分離され、ＣＯ_２を含む流れが、ＣＯ_２を含む流れの体積に対して５．０体積％以上のＣＯを含むテールガスを含み、且つ燃料混合物が、ＣＯ_２を含む流れの少なくとも一部分を含む、実施形態５の方法。

実施形態７．ａ）リサイクル流及び燃料流の少なくとも１つが１５体積％以下のＮ_２を含むか；又はｂ）前記方法が、酸素含有流を形成するために空気分離ユニット中で空気を分離することをさらに含むか；又はｃ）ａ）及びｂ）の組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態８．反応器に入る前に、燃料流、酸素含有流及びリサイクル流を組み合わせて、燃料混合物が形成されるか、又は燃焼領域に入る前に、燃料流、酸素含有流及びリサイクル流を組み合わせて、燃料混合物が形成されるか、又はその組合せである、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態９．リサイクル流が２５体積％以上のＣＯ_２を含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態１０．燃料混合物が２．０体積％以上のＣＯを含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態１１．再生表面温度が８００℃以上である、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態１２．ＣＯ_２含有流を分離して、水を含有する流れ、及び８０体積％以上のＣＯ_２含有量を含むＣＯ_２エンリッチド流を形成すること；並びにＣＯ_２エンリッチド流の圧力に対して７．０ＭＰａ－ｇ以上の圧力までＣＯ_２エンリッチド流を圧縮することをさらに含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態１３．燃焼条件が１００ｃｍ／秒以下の層流火炎速度を含む、上記実施形態のいずれかの方法。

実施形態１４．反応器入口端部、再生器入口端部、及び改質触媒を含む反応領域を含む反応器；反応器入口端部と再生器入口との間で断続的な流体連通を提供する、リサイクル圧縮器、燃料源入口、酸素含有ガス入口及びＣＯ含有ガス出口を含むリサイクルループ；酸素含有ガス入口と流体連通する空気分離ユニット；並びにＣＯ_２含有ガス出口と流体連通する水分離段階を含む、逆流反応器システム。

実施形態１５．吸着器入口、生成物出口及びテールガス出口を含む圧力スイング吸着セパレーターをさらに含み、再生器入口端部が、吸着器入口と断続的に流体連通であり、テールガス出口が、リサイクルループと断続的に流体連通である、実施形態１４の逆流反応器システム。

本発明が特定の実施形態を参照することによって説明されて、示されるが、当業者は、本発明が本明細書中に必ずしも示されていない変形に関することを認識する。この理由から、本発明の真の範囲を決定する目的のために、添付の請求の範囲のみが単に参照されるべきである。

Claims (15)

1. 燃焼ガスを形成するため、及び触媒組成物を含む反応領域中の１つ又はそれ以上の表面を６００℃以上の再生表面温度まで加熱するために、反応器内の燃焼領域中で０．７ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含む燃焼条件下で、燃料流、酸素含有流の体積に対して１５体積％以下のＮ_２を含む酸素含有流、及びリサイクル流を含む、燃料混合物の体積に対して０．１体積％以上のＯ_２及び２０体積％以上のＣＯ_２を含む燃料混合物を反応させること；前記燃焼ガスを分離して、少なくとも０．７ＭＰａ－ｇ以上の第２の圧力を含むＣＯ_２含有流と前記リサイクル流とを形成すること；並びに改質条件下、前記再生表面温度において前記反応領域中で前記触媒組成物に炭化水素含有流を暴露して、Ｈ_２及びＣＯを含む改質生成物流を形成することを含む、改質を実行する方法であって、前記反応領域中の前記炭化水素含有流の流れ方向が、前記燃料混合物の流れの方向に対して逆になる方法。
2. 前記燃焼条件が１．４ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含むか；又は前記第２の圧力が１．４ＭＰａ－ｇ以上であるか；又はそれらの組合せである、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼条件が３．４ＭＰａ－ｇ以上の燃焼圧力を含むか；又は前記第２の圧力が３．４ＭＰａ－ｇ以上であるか；又はそれらの組合せである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも前記ＣＯ_２含有流及び前記リサイクル流を形成するために前記燃焼ガスを分離する前に、前記燃焼ガスを圧縮することをさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記改質生成物流を水性ガスシフト反応条件に暴露して、シフトされた合成ガス生成物流を形成すること；及び前記シフトされた合成ガス生成物流を分離して、Ｈ_２含有流及びＣＯ_２を含む流れを形成することをさらに含み、前記シフトされた合成ガス流が、任意選択的に、１０未満のＣＯに対するＨ_２のモル比を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記シフトされた合成ガス生成物流が圧力スイング吸着によって分離され、前記ＣＯ_２を含む流れが、前記ＣＯ_２を含む流れの体積に対して５．０体積％以上のＣＯを含むテールガスを含み、且つ前記燃料混合物が、前記ＣＯ_２を含む流れの少なくとも一部分を含む、請求項５に記載の方法。
7. ａ）前記リサイクル流及び前記燃料流の少なくとも１つが１５体積％以下のＮ_２を含むか；又はｂ）前記方法が、前記酸素含有流を形成するために空気分離ユニット中で空気を分離することをさらに含むか；又はｃ）ａ）及びｂ）の組合せである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記反応器に入る前に、前記燃料流、前記酸素含有流及び前記リサイクル流を組み合わせて、前記燃料混合物が形成されるか、又は前記燃焼領域に入る前に、前記燃料流、前記酸素含有流及び前記リサイクル流を組み合わせて、前記燃料混合物が形成されるか、又はその組合せである、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記リサイクル流が２５体積％以上のＣＯ_２を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記燃料混合物が２．０体積％以上のＣＯを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記再生表面温度が８００℃以上である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ＣＯ_２含有流を分離して、水を含有する流れ、及び８０体積％以上のＣＯ_２含有量を含むＣＯ_２エンリッチド流を形成すること；並びに前記ＣＯ_２エンリッチド流の圧力に対して７．０ＭＰａ－ｇ以上の圧力まで前記ＣＯ_２エンリッチド流を圧縮することをさらに含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記燃焼条件が１００ｃｍ／秒以下の層流火炎速度を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 反応器入口端部、再生器入口端部、及び改質触媒を含む反応領域を含む反応器；前記反応器入口端部と前記再生器入口との間で断続的な流体連通を提供する、リサイクルループであって、リサイクル圧縮器、燃料源入口、酸素含有ガス入口及びＣＯ含有ガス出口を含むリサイクルループ；前記酸素含有ガス入口と流体連通する空気分離ユニット；並びにＣＯ_２含有ガス出口と流体連通する水分離段階を含む、逆流反応器システム。
15. 吸着器入口、生成物出口及びテールガス出口を含む圧力スイング吸着セパレーターをさらに含み、前記再生器入口端部が、前記吸着器入口と断続的に流体連通であり、前記テールガス出口が、前記リサイクルループと断続的に流体連通である、請求項１４に記載の逆流反応器システム。

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