JP2023548312A - メタン及び他の炭化水素の改質用の電気加熱式改質反応器 - Google Patents

メタン及び他の炭化水素の改質用の電気加熱式改質反応器 Download PDF

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Abstract

酸化剤としてＨ２Ｏ及び／又はＣＯ２を用いた炭化水素（例えば、メタン）の改質のような触媒変換プロセスへの熱入力を取得して制御することに関して、多くの利点から利益を得る電気加熱式改質反応器及び関連する改質プロセスが開示される。開示された反応器は、触媒層容積内の特定の領域に熱入力を集中させる能力を提供する。これにより、温度分布を１つ又は複数の次元（例えば、軸方向及び／又は径方向）で制御すること、他の方法で熱入力をカスタマイズし、特定の改質器原料を処理すること、特定の改質器生成物を取得すること、触媒を効率的に利用すること、及び／又は多くの運転パラメータ（例えば、流量分布）を補償することが可能になる。熱入力の動的制御は、原料又は生成物の組成及び／又は触媒活性の変化に応答して使用することができる。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年１０月３０日に提出された米国仮出願番号６３／１０７,５３７を要求するものであり、当該出願の全文は引用により本明細書に組み込まれている。
本発明の態様は、このような反応器内の触媒層への熱入力の確立及び管理に関しては操作の柔軟性、また、従来の改質反応炉での燃焼に伴うＣＯ２を好ましくは発生させずに、様々な位置で改質器原料を処理するためのコンパクト性及び可搬性を有する改質反応器に関する。
炭化水素燃料を生産するための原油の代替品の持続的な探索は、いくつかの要因によってますます推進されている。これらには、石油埋蔵量の減少、予想されるエネルギー需要の増加、再生不可能な炭素源からの温室効果ガス（ＧＨＧ）排出への懸念の高まりなどがある。天然ガスの埋蔵量と生物源から得られるガス流（バイオガス）が豊富であること考慮して、メタンは液体炭化水素を供給するための多くの可能なルートの焦点となっている。メタンを燃料に変換するための主要な商業的プロセスは、合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）を生成するための第１変換ステップと、その後に続く第２下降流フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成ステップとを含む。第２ステップでは、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）との混合物を含む合成ガスに、水素ガスを添加した状態でＣ－Ｏ結合を連続的に開裂させてＣ－Ｃ結合を形成する。この機構により、ＦＴ反応条件及び触媒特性を変更することにより、分子量分布をある程度制御することができる炭化水素、特に直鎖アルカンが生成される。あるいは、ＦＴ合成は、既知の操作パラメータを用いて、含酸素化合物、特にメタノールのような低級アルコールを精製することもできる。
合成ガスは、液体炭化水素及び／又は含酸素化合物の前駆体としての使用に加えて、特に精錬産業における水素のソースとしても使用される必要がある。例えば、水素ガスの需要は、水素化脱硫などの水素消費プロセスによるクリーンな燃料の要件を満たすことがますます重要視されるとともに増加している。
上記第１変換ステップに関して、メタンから合成ガスを製造する公知の方法は、メタンと酸素との発熱酸化に基づく部分酸化改質及び自己熱改質（ＡＴＲ）を含む。逆に、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）は、水蒸気を酸化剤として使用するため、水蒸気自体の生成にエネルギー投資が必要であるだけでなく、メタンと水の反応が熱を吸収するため、熱力学が著しく異なる。最近では、二酸化炭素（ＣＯ２）をメタンの酸化剤として使用することも提案されており、これにより、最も酸化された形態の炭素と最も還元された形態の炭素との反応によって所望の合成ガスが形成される。
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２
この反応はメタンの「乾式改質」と呼ばれ、吸熱性が高いため、メタン乾式改質はＡＴＲやＳＭＲよりも熱力学的に有利ではない。しかし、メタン１モル当たり二酸化炭素１モルの化学量論的消費は、液体燃料製造の全体的なカーボンフットプリントを減少させ、メタンの「よりグリーンな」消費量をもたらす可能性がある。高級炭化水素を改質する場合、原料１モル当たりのＣＯ２消費速度が増加する（例えば、Ｃ２～Ｃ６パラフィン）。いずれの場合も、熱力学的障壁は依然として主要な課題であり、ＣＯ２が完全に酸化され、非常に安定であるため、酸化剤として活性化するには大量のエネルギーが必要であるという事実に関連している。
したがって、Ｈ２Ｏ及び／又はＣＯ２を酸化剤として用いてメタン及び他の炭化水素を改質して合成ガスを製造する公知のプロセスは、１０００℃（１８３２°Ｆ）までの温度を必要とする可能性がある。この温度は、通常、改質触媒が充填された垂直に配列された複数の管を囲む燃焼炉内で達成される。平行管に追加的に供給された炭化水素の一部は、酸化剤も含むガス状改質器原料として供給され、所望の燃焼熱源として使用され、この場合、炉内で酸素と共に燃焼される。しかし、このガス燃焼加熱には、大規模で複雑なシステムインフラを設置し、サポートする必要がある。これらの制限は、単純でコンパクトな反応器設計がより大きな価値と実用性をもたらす、より小規模な改質操作には特に適用されない可能性がある。米国３,１４７,０８０、米国２０１６／０２８８０７４、及び米国２０１７／０１０１３１２によれば、この分野では、例えば放射燃焼熱と組み合わせて触媒に必要な熱の一部を供給するなど、改質反応器の触媒充填管を加熱するために電気を使用することが提案されている。ＷＯ ２０１９／２２８７９６及びＷＯ ２０１９／２２８７９７によれば、導電性材料は、触媒活性材料を担持するセラミックコーティングでコーティングされている。しかし、触媒層への熱入力の効果的な確立及び管理を提供する装置及び改質などの高温変換プロセスにおけるその使用は、依然として必要である。
本発明の態様は、酸化剤としてＨ２Ｏ及び／又はＣＯ２を用いた炭化水素（例えば、メタン）の改質のような触媒変換プロセスへの熱入力を取得して制御することに関して、多くの利点から利益を得る電気加熱反応器及び関連する改質プロセスの発見に関する。電気抵抗又は誘導加熱により、触媒層の温度を、例えば触媒充填後の周囲温度から、５００℃（９３２°Ｆ）、７００℃（１２９２°Ｆ）又は８５０℃（１５６２°Ｆ）を超える反応温度まで、迅速かつ効率的に上昇させるために、電気を使用することができる。他の利点は、多くの加工目的を達成するために、触媒層容積内の特定の領域に熱入力を集中させることである。これらは、温度分布を１つ又は複数の次元（例えば、軸方向及び／又は径方向）で制御すること、他の方法で熱入力をカスタマイズし、特定の改質器原料を処理すること、特定の改質器生成物を取得すること、触媒を効率的に利用すること、及び／又は多くの運転パラメータ（例えば、流量分布）を補償することが含まれる。熱入力の動的制御は、原料又は生成物の組成及び／又は触媒活性の変化に応答して使用することができる。
その他の利点は、従来の反応炉や関連設備（例えば、バーナー）を省略できること、並びに燃料の燃焼によるＣＯ２排出を排除することである。再生可能な電力の場合（例えば、太陽エネルギー又は風力エネルギーから得られるもの）を熱生成に使用することができる場合、改質／合成ガスの生成に伴うカーボンフットプリントをさらに低減又は除去することができる。さらに他の利点は、ガス燃焼炉を必要とするものと比較して、開示された電気加熱式改質反応器の増加した簡略性から、本発明の反応器がコンパクトであり、さらには運搬可能である（例えば、スキッドマウント）ことにより達成され得る。これにより、いくつかの実施形態によれば、反応器及び場合によっては他の関連設備（例えば、下降流のフィッシャー・トロプシュ合成反応器）は、天然ガス等の炭化水素の発生源を含めて有効利用される場所に輸送される（例えば、坑口ガス）。このようなソースは、通常、「立ち往生」しており、それは、付加価値製品への変換のための適切な設備へのアクセスが不足していることを意味しており、そのため、通常はフレア（燃焼）される。本明細書に記載されたプロセスは、このような、さもなければ利用できないメタン及び他の炭化水素源を効果的に収益化することができる。
本発明の特定実施形態は、触媒を収容するための触媒層容積を含む内部空間を画定するアウターシェルを含む電気加熱式改質反応器に関する。改質反応器は、触媒層容積を部分的に又は完全に通って延在し、触媒層容積内の個々の領域を加熱するように構成された複数の加熱要素をさらに含むことができる。他の実施形態では、改質反応器は、触媒層容積を通って一方向に延在し、触媒層容積を加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素をさらに含むことができる。他の特定実施形態は、本明細書に記載された電気加熱式改質反応器を用いた改質プロセス、例えば合成ガス生成物を製造するプロセスに関する。代表的なプロセスは、（ｉ）炭化水素と、（ｉｉ）Ｈ２Ｏ及び／又はＣＯ２との両方を含む改質器原料を、電気加熱式改質反応器の触媒層容積内に配置された触媒と接触させることを含み得、複数の加熱要素は、触媒層容積を部分的に又は完全に通って、したがって、触媒層自体を部分的に又は完全に通っている。このプロセスは、異なる径方向位置に配置された加熱要素及び／又は異なる軸方向位置に配置された加熱要素のような異なる加熱要素によって、触媒に異なる加熱速度を供給するステップをさらに含むことができる。改質器原料が触媒と接触した後、合成ガス生成物が生成され、合成ガス生成物は触媒層及び反応器から取り出される。
他の特定実施形態によれば、加熱要素は、触媒粒子又は触媒層容積内の空の空間を含まないか又は取り囲んだ中実のワイヤ又は棒の形態とすることができる。いくつかの実施形態では、加熱要素は、触媒とは構造的に異なっていてもよく、これは、触媒が加熱要素にコーティングされていないか、あるいはそれ以外の方法で付着していないことを意味する。いくつかの実施形態では、加熱要素は、触媒自体が抵抗加熱（例えば、触媒自体を介した電圧の印加によって）によって直接加熱されないように、触媒から熱的に絶縁されていないが、電気的に絶縁されてもよい。すなわち、触媒自体が抵抗加熱（例えば、触媒自体に渦電流を誘導することによって）によって直接加熱されない。好ましい実施形態では、触媒は、１つ又は複数の加熱要素が部分的に又は完全に通っている触媒粒子固定層の形態である。
本発明に関連するこれら及び他の実施形態、態様、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかである。
本発明の例示的な実施形態及びその利点のより完全な理解は、同じ又は類似の特徴を識別するために同じ符号が使用されている添付の図面を考慮すると、以下の説明を参照することによって得られる。
垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。図１Ａにおいて、垂直方向は、反応器を前部と後部に分割する紙の平面に平行であってもよく、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａに垂直であってもよい。 垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 垂直方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向と同じ方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 水平方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向に対して垂直な方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。図２Ａにおいて、水平方向は、反応器を前部と後部とに分割する紙の平面に平行であってもよく、反応器を上部及び下部とに分割する中心平面Ａ’-Ａに平行であってもよい。 水平方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向に対して垂直な方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 水平方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向に対して垂直な方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 水平方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向に対して垂直な方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。 水平方向に延在する、あるいは反応器を通るガス状反応混合物の全体的又はバルク流方向に対して垂直な方向に延在し得る加熱要素を含む代表的な改質反応器を示す。
図は、説明と理解を容易にするために、電気加熱式改質反応器、及び反応を受ける反応物及び生成物の流れの簡略化された図として理解されるべきである。これらの図と要素は必ずしも比例して描かれているわけではない。本発明の様々な態様を理解する上で重要でないバルブ、計器、及び他の設備及びシステムは示されていない。当業者にとって明らかなように、電気加熱式改質反応器及びこれらの反応器を利用するプロセスは、その特定の用途によって部分的に決定される構造及び要素を有することである。さらに、図面は、複数の要素の組み合わせを有する特定実施形態を示しているが、これは、より少ない要素及び／又は異なる要素の組み合わせを必要とする特許請求の範囲によって定義される発明の範囲を限定することを意図するものではなく、これは、当業者にとって自明である。
ここで用いられている「重量％」及び「モル％」という式は、それぞれ重量百分率とモル百分率を表す。「ｗｔ－ｐｐｍ」及び「ｍｏｌ－ｐｐｍ」という表現は、モル百分率を表す。理想的なガスの場合、「モル％」及び「ｍｏｌ－ｐｐｍは、それぞれ体積百分率及び体積百分率に等しい。
「改質器原料」という用語は、少なくとも（ｉ）メタンのような１つ又は複数の炭化水素と、（ｉｉ）酸化剤としてのＨ２Ｏ、ＣＯ２、又はこれらの組み合わせとを含む組成物を意味する。改質器原料は、酸化剤としてＨ２Ｏを用いて水蒸気改質を行い、酸化剤としてＣＯ２を用いて乾式改質を行い、あるいは、改質器原料に２種類の酸化剤が存在する場合にＣＯ２－水蒸気改質を行う。「改質器生成物」という用語は、改質器原料を触媒と接触させた後に得られる反応生成物組成物を意味する。改質器原料に対して、最初に改質器原料中に存在する炭化水素及び酸化剤の変換は、通常、改質器生成物中のこれらの成分の濃度の減少をもたらし、また、改質器原料に関して、改質器生成物中の変換生成物ＣＯ及びＨ２の濃度の濃縮をもたらす。したがって、「合成ガス生成物」という用語は、特定の改質器生成物を指すために使用される。「ガス状混合物」という用語は、改質器原料から改質器生成物（例えば、合成ガス生成物）への変換を受けているときの改質反応器の触媒内の組成物を意味する。ガス状混合物は、典型的には、改質器原料及び改質器生成物の成分に対して中間濃度の改質器原料及び改質器生成物の成分を有する。改質に使用される条件（例えば、温度及び圧力）の下では、ガス状混合物は、完全に又は少なくとも大部分が気相になる。ただし、「ガス状混合物」という用語は、水のように周囲の温度及び圧力条件下で液体である化合物の存在を排除するものではない。これらの化合物を改質する場合、これらの化合物は、ナフサ及びジェット燃料を含む液体燃料中に見出される炭化水素、例えばＣ６～Ｃ１６炭化水素をさらに含むことができる。
電気加熱式改質反応器及び加熱要素
本発明の実施形態は、上記の特徴及び関連する利点を有する電気加熱式改質反応器を対象とする。図１Ａに示すように、代表的な反応器１００は、本明細書で説明する改質触媒粒子などの触媒を収容するための触媒層容積５０を含む内部空間４を画定するアウターシェル２を含むことができる。反応器１００は、触媒層容積５０を部分的に又は完全に通って延在し、反応器内の別個の領域を加熱するように構成され得る複数の加熱要素５’をさらに含む。一般に、電気加熱式改質反応器は、触媒層容積を含む内部空間を画定するこのようなアウターシェルを含むことができ、触媒層容積は、例えば、内部空間の周りに少なくとも径方向の中心に配置され得る。一般に、反応器は、触媒層容積を通って一方向に延在する少なくとも１つの加熱要素を含むことができる。例えば、１つの加熱要素は、内部空間の周り及び触媒層容積の周りに、少なくとも径方向の寸法で一方向に中央に（例えば、両方とも一般に円筒形であるが、他の形状も可能である内部空間及び触媒層容積の中心軸に沿って）延在することができる。任意選択で、追加の加熱要素は、触媒層容積の他の領域を通って延在して、所望の領域において所望の程度の熱入力及び温度制御を提供することができ、これは、通常、１つの加熱要素と同じ方向であり、互いに同じである。
１つ又は複数の加熱要素の存在にかかわらず、これらの加熱要素は、適切な金属又は合金のような導電性材料を含む。導電性材料を形成する金属又は合金は、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＮｉのうちの１つ又は複数を含むことができ、本明細書に記載の改質温度に耐えることができ、具体例には、ニクロム合金（ニッケル及びクロムの合金）又はカンタル（鉄、クロム及びアルミニウムの合金）を含む。
代表的な加熱要素は、１次元的（例えば、一次元が他の次元よりも少なくとも一桁大きい、例えば少なくとも二桁大きい）に細長くてもよいので、抵抗ワイヤ又は抵抗棒の形態（径方向寸法よりもはるかに大きい長さ寸法を有する）とすることができる。他の加熱要素は、２次元的（例えば、２次元が他の次元よりも少なくとも一桁大きい、例えば少なくとも二桁大きい）に細長くてもよいもので、例えば、平坦面を有する平面状加熱要素又は曲面を有する素子形態の加熱要素（例えば、厚さ寸法よりもはるかに大きい長さ寸法と幅寸法、又は長さ寸法と円周寸法を有する）である。例えば、長方形又は円形の平面状加熱要素（幅寸法と長さ寸法、又は角度寸法と半径寸法が長い）、並びに、管状加熱要素（円周寸法と長さ寸法が長い）などが含まれる。これらの加熱要素は、同様に上述のような適切な金属又は合金から製造することができ、例えば、このような金属又は合金は、（例えば、金属／合金担持ペーストとして）２次元的に細長い（例えば、金属、ガラス、セラミック、ポリマー）の基材にはコーティング又は印刷されている。導電性材料と基材との組み合わせは、当技術分野で一般的に使用されるように、厚膜加熱要素として特徴付けられ得る。
これらの特定の形態にかかわらず、代表的な加熱要素は、導電性材料を囲む絶縁層を有していてもよく、これにより、材料は触媒に直接接触しないが、触媒に熱を伝達する。絶縁層は、アルミナ、シリコン酸化物又はマグネシウム酸化物のような高融点金属酸化物のようなセラミック材料を含むことができる。代替的に又は追加的に、加熱要素は、導電性材料を取り囲むコーティング層、チューブ又はシース、及び任意の絶縁層を含んでもよい。銅、ニッケル又はステンレス鋼の合金、例えばＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）又はＭｏｎｅｌ（登録商標）は、このようなコーティング層、チューブ又はシースとして使用することができる。例えば、ワイヤ状又は棒状の特定の加熱要素は、中間絶縁層に囲まれた中心又はコア導電性材料を有し、中間絶縁層はさらに外側コーティング層に囲まれている。
一般に、加熱要素は、導電性材料が触媒に直接接触せず、絶縁層又はコーティング層が触媒に接触するように構成される。代表的な加熱要素も、触媒が表面に付着していないか、触媒粒子がウォッシュコートされた基材などの触媒支持体材料が表面に付着している場合が多い。すなわち、好ましい実施形態では、例えば、触媒粒子が改質反応器内に充填されて、改質反応器内に最初に存在する加熱要素（例えば、触媒層容積を部分的に又は完全に通って延在する）を取り囲むが、加熱要素に物理的に付着又は付着していない場合、加熱要素と触媒は構造的に別個である。改質触媒の粒子は、固定層での使用に適した形態（形状）及び大きさであってもよい。球状触媒粒子の場合、これらの粒子の直径は、例えば、一般的には約１ｍｍ～約１０ｍｍ、代表的には約１ｍｍ～約５ｍｍ、多くの場合約１ｍｍ～約３ｍｍの範囲内であってもよい。他の幾何学的形状を有し、固定層にも適した触媒粒子は、円筒状触媒粒子（例えば、押出により製造された場合）を含む。円筒形状の場合、球状触媒について、触媒粒子の直径は、上記の範囲内のいずれの直径でもよい。例えば、直径１．５９ｍｍ（１／１６インチ）、３．１８ｍｍ（１／８インチ）、６．３５ｍｍ（１／４インチ）の押出物を形成することができる。円筒状触媒粒子は、一般的に約１ｍｍ～約１０ｍｍ、代表的には１ｍｍ～約５ｍｍ、多くの場合約１ｍｍ～約３ｍｍの長さを有することもできる。
加熱要素、特に本明細書に記載の実施形態のいずれかで使用される１つ又は複数の加熱要素は、抵抗加熱要素又は誘導加熱要素であってもよい。抵抗加熱要素の場合、電圧源は、ジュール加熱により所望の量の熱を発生させるのに十分な抵抗を有する導電性材料を介して交流又は直流電流を供給するために使用される。加熱要素に印加され得る代表的な電圧は、約５０～約５０００Ｖ、例えば約１００～約２５００Ｖ又は約２００～約１０００Ｖの範囲である。交流を供給するために１つ又は複数の電圧源が使用される場合、代表周波数は、約１０～約１０００Ｈｚ、例えば約２５～約１００Ｈｚ又は約５０～約６０Ｈｚの範囲である。誘導加熱素子の場合、電子発振器などのエネルギー源は、電磁石を介して交流を供給するために使用され、電磁石は、導電性材料内に交番磁界を確立し、渦電流を誘導する。これらの渦電流は、導電性材料の抵抗と組み合わされ、ジュール加熱により所望の量の熱を発生する。上記の特定実施形態によれば、エネルギー源に結合された電磁石又はインダクタは、例えば、加熱要素の中間絶縁層及び／又は加熱要素の外側コーティング層の上に巻回された導電性材料の上に巻回されたコイルの形態とすることができる。この点及び本明細書の様々な実施形態の一般的な開示に鑑みて、１つ又は複数（例えば、複数の）加熱要素は、抵抗性又は誘導性のワイヤ又は棒の形態であってもよく、例えば、触媒粒子又は触媒層容積のいかなる部分も含まないか又は取り囲んでいない中実のワイヤ又は棒の形態であってもよい。他の実施形態では、１つ又は複数の加熱要素は、導電性材料の印刷によって、又は一般に厚膜要素製造技術によって形成され得る長方形又は円形のプレートのようなプレートの形態であってもよい。さらなる実施形態では、１つ又は複数の加熱要素は、様々な直径を有し、任意に実質的に一定の長さを有するチューブのような、様々な寸法の管状部材の形態とすることができる。このようなチューブは、触媒粒子を含むか、又は取り囲むことができる
任意選択で、抵抗加熱の場合、電圧源を使用して、１つ又は複数の加熱要素の導電性材料の選択された部分、例えば、１次元的に細長い加熱要素の直線状のセグメント、又は２次元的に細長い加熱要素のエリアセグメントにおいてのみ、所望の量の熱を発生させることができる。あるいは、一部のセグメントで熱を発生させ、他のセグメントで熱を発生させないのではなく、導電性材料の異なる１次元又は２次元部分（例えば、これらの直線状又はエリアセグメント）で、異なる量の熱を発生させることができる。このような目的は、例えば、マルチゾーン加熱素子を使用することによって達成され得る。代替的に、複数の電圧源を使用して、所与の線に沿って、又は触媒層容積を通って延在する所与の平面内の個々の直線状又はエリアセグメントにおける熱入力を独立に制御することができる。誘導加熱の場合、電磁石又はインダクタが、そのような選択された部分に渦電流を誘起するか、又はそのような異なる部分に変化する渦電流を誘起すれば、１つ又は複数の加熱要素の導電性材料の選択された部分のみに所望の量の熱を発生させるか、又は異なる部分に変化する量の熱を発生させることも可能である。このようにして、抵抗加熱及び／又は誘導加熱による触媒層容積内の特定領域又は目的領域の加熱を強化することができる。
図１Ａに示される実施形態から、反応器１００は、改質器原料入口１０及び改質器生成物出口２０を含み、これらは、改質器原料入口１０及び改質器生成物出口２０に関連付けられた矢印方向に対応する全体又は流れ方向全体に、ガス状混合物（反応ガス状混合物）を流すように組み合わされるように構成されていることが理解される。一方、図１Ａは、ガス状混合物を下方向に流すように構成された反応器（例えば、下降流反応器）を示すが、他の実施形態では、例えば、上昇流反応器又は水平流用に構成された反応器の場合に、他のフロー構成が可能である。改質器原料入口１０及び／又は改質器生成物出口２０は、ガス状混合物が触媒層容積５０を通過する前、間、及び後に、ガス状混合物を分配、案内（例えば、チャンネル）及び／又は収集するなど、反応器内の他の構造物と協働することができる。これらの構造は、例えば、原料入口分配器１２及び生成物出口収集器２２を含むことができる。さらに図１Ａに示すように、触媒層容積５０は、例えば、少なくとも幅（例えば、径方向）寸法に対して、内部空間４の周りに中央に配置されていてもよい。例えば、触媒層容積５０は、セラミック、ガラス繊維、他の不活性材料又は耐火材料、及び／又はガスバリアのような熱（サーマル）絶縁材料を含む周辺断熱層７５に対して径方向内側に配置され、任意に中央に配置され得る。周辺断熱層７５は、周辺環境への熱損失を低減し、いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載されたプロセスに従って合成ガスの生成に使用された場合、反応器を実質的に断熱的に作動させることができる。さらに、周辺断熱層７５は、反応器１００のアウターシェル２が触媒内の温度よりもはるかに低い温度でこのようなプロセスを操作させることを可能にし、それによって、反応器構造に使用される材料の最高温度仕様が緩和されるとともに、反応器の動作中又は動作前後の取り扱いの容易性を向上させる。
同様に、図１Ａに示される正面断面図によれば、前部部分が除去された後の反応器の内部の図を提供するページ平面に沿って、１つ又は複数の加熱要素５’が、図１Ａの特定の実施形態では垂直方向である流れ方向全体に一方向（例えば、曲げたり湾曲したりして方向を変えずに直線に沿って）に延在している。一般に、複数の加熱要素５’は、例えば、触媒層容積５０の長さの少なくとも一部（例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、又は少なくとも約９０％）にわたって延在することができ、この触媒層容積５０の長さは、その入口端６ａ（例えば、この入口端に対応する垂直位置）からその出口端６ｂ（例えば、この出口端に対応する垂直位置）までの長さであってもよく、このような長さは、例えば垂直方向である。図１Ａの実施形態に示すように、これらの加熱要素５’は、その全長の実質的に全体にわたって、又は全体にわたって延在することができる。触媒層容積の長さを横切る伸長量は、触媒層容積の軸心から軸心の上下に配置された領域への熱入力量及び温度制御の程度に影響を与えることができる。
他の実施形態によれば、複数の加熱要素５’は、触媒層容積を部分的に又は完全に通って一方向に延在するが、流れ方向全体とは異なる方向に延在してもよい。例えば、図１Ａの実施形態では、この流れ方向全体は、より具体的には、触媒層容積５０（及び運転中の触媒層自体）を含むアウターシェルによって画定される内部空間の円筒状部分に対する軸方向であってもよい。流れ方向全体とは異なる方向に延在する加熱要素５’の一例として、図２Ａに示される実施形態によれば、１つ又は複数の加熱要素５’は、それぞれ、触媒層容積５０の幅の少なくとも一部（例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、又は少なくとも約９０％）にわたって一方向に延在してもよい。これは、第１周縁６ｃから同一軸方向位置（例えば、垂直高さ）において第１周縁６ｃから一定の距離を置いて配置されている対向する第２周縁６ｄまでの幅であってもよい。このような幅は、例えば水平方向であってもよく、より具体的には、流れ方向全体が垂直である触媒層容積５０の水平断面を横切る距離に対応することができる。特定実施形態では、加熱要素５’がその上に延在する幅又は部分は、触媒層容積５０の円形水平断面の直径又は弦長に対応することができる。図２Ａの実施形態に示すように、加熱要素５’は、幅の実質的に全部又は全部にわたって延在することができる。触媒層容積幅を横切る伸長量は、触媒層容積の径方向中心から径方向中心の周囲に配置された領域に至るまでの領域における熱入力量及び温度制御の度合に影響を与えることができる。
図１Ａ及び図２Ａの実施形態に示すように、各加熱要素５’の対向端は、例えば、各電気リード７’、８’（例えば、機械的、溶接、又はろう付け接続を使用して）に電気的に結合されてもよい。正極リード７’は電圧源２５の正端子にさらに結合され、負極リード８’は電圧源２５の負端子にさらに結合される。上述したように、電気リード７’、８’は、一般に、加熱要素５’の導電性材料よりも低い抵抗を有する材料、特に金属を含む。一方、図１Ａ及び図２Ａの実施形態では、正極リード７’及び負極リード８’は、通常、電圧源２５に結合されており、複数の電圧源は、複数の加熱要素５’にそれぞれ結合又は制御してもよく、又は単一の電圧源は、複数の加熱要素５’に結合又は制御してもよい。すなわち、特定実施形態によれば、以下に説明する特定実施形態を含めて、複数の加熱要素５’は、個々に制御可能な１つ又は複数の加熱要素を含むことができ、例えば、１つ又は複数の加熱要素は、その個々の（単一の）電圧源によって制御され、この電圧源は、独立した（例えば、一定又は経時変化）電圧を、当該加熱要素に供給するように構成される。他の特定実施形態によれば、以下に説明する特定実施形態も含めて、複数の加熱要素５’は、個々に制御可能な１つ又は複数の加熱要素群を含むことができ、例えば、１つ又は複数の群は、その個々の（単一の）電圧源によって制御され、この電圧源は、独立した（例えば、一定又は経時変化）電圧を、当該加熱要素に供給するように構成される。代表的な群は、反応器内の共通の平面（例えば、流れ方向全体に対してそれぞれ平行又は垂直である共通の垂直面又は共通の水平面）又は共通の円筒状面内で延在している加熱要素５’を含む。
本明細書では、単一の加熱要素又は加熱要素群が、例えば抵抗加熱要素の場合、電圧源に関連して別々に制御可能な程度に記載されているが、他の実施形態によれば、同一の単一の加熱要素又は加熱要素群は、例えば誘導加熱素子の場合のように、同様にエネルギー源に関連して別々に制御可能である（例えば、電子発振器）。
図１Ｂは、図１Ａの実施形態による具体的な実施例を示し、特に、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る例示的な上部断面図を提供する。図１Ａの正面断面図にも示されている中央の加熱要素５’のセットは、参照のために破線の枠で囲まれている。さらに示すように、同じ方向（例えば、中心平面Ａ’-Ａを通る）に延在する追加の加熱要素５’は、触媒層容積５０の円形断面の共通弦Ｃ’に沿って配置されている。参照のために図１Ｂに示されている共通弦Ｃ’に沿った加熱要素５’は、細い点によって接続されており、このような共通弦Ｃ’は、円形断面の直径を含んでいてもよい。触媒層容積５０の円形断面を参照して、１群以上の加熱要素５’は、それぞれの共通弦の長さの少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、又は少なくとも約９０％に沿って配置することができ、このパラメータは、触媒層容積全体の水平断面領域にわたって、熱を入力することができ、温度を制御することができる程度に影響する。したがって、図１Ｂは、共通弦Ｃ’に沿って、各電圧源２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅによって別々に制御可能な加熱要素群（又は全加熱要素のサブセット）を示し、これらのセットを介して触媒層容積に入力される熱の独立した制御を提供する特定実施形態を提供する。共通弦Ｃ’に沿ったこれらの群は、流れ方向全体に平行な対応する共通垂直平面上に延在することを特徴とする群であってもよい。
図１Ｃは、図１Ａの実施形態による別の特定例を示し、図１Ｂに示すように、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る例示的な上部断面図を提供する。本実施形態によれば、加熱要素５’は平面状であり、（例えば、平らな長方形の形態）。また、軸方向又は長さ方向の寸法（図１Ａ及び図１Ｂに示す加熱要素５´の場合）だけでなく、図１Ｂの実施形態では共通弦Ｃ´が延在する寸法に対応する幅方向の寸法にも延在している。図１Ｃの実施形態では、各平面状加熱要素５’は、それぞれの電圧源２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅによって別々に制御されて、図１Ｂの実施形態に関して上述したのと同様の方法で熱及び温度制御を提供してもよい。
図１Ｄは、図１Ａの実施形態による別の特定例を示し、図１Ｂ及び図１Ｃと同様に、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る例示的な上部断面図を提供する。図１Ｂに示すように、図１Ａの正面断面図にも示されている中央の加熱要素５’のセットは、参照のために破線の枠で囲まれている。図１Ｃの実施形態にさらに示すように、同じ方向（例えば、中心平面Ａ’-Ａを通る）に延在する追加の加熱要素５’は、触媒層容積５０及び内部空間４の円形断面の平面内においてこれら円形断面と同心の円の共通半径Ｒ’に配置される。共通半径Ｒ’に沿った加熱要素５’は、図１Ｄにおいて参照のために細い点で接続されているが、このような加熱要素５’は、半径Ｒ＝０に対応する単一の中央加熱要素も含むこともできる。触媒層容積５０の円形断面を参照すると、１群以上の加熱要素５’は、触媒層容積５０の半径の少なくとも約５０％、少なくとも約７０％、又は少なくとも約９０％まで外側に延在する変化半径で配置することができ、このパラメータは、触媒層容積の水平断面領域全体に亘る径方向位置における熱入力及び温度制御が可能な程度に影響を与える。したがって、図１Ｄは、それぞれの電圧源２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃによって別々に制御可能である共通半径Ｒ’に沿った加熱要素群（又は全加熱要素のサブセット）を示す特定実施形態を提供し、これらの群を介して触媒層容積に入力される熱の独立した制御を提供する。共通半径Ｒ’に沿ったこれらの群は、流れ方向全体に平行な対応する共通円筒状面上に延在することを特徴とする群であってもよい。これにより、加熱要素は、内部空間の円筒状部分に沿って、又は触媒層容積の円筒状部分に沿って軸方向（例えば、流れ方向全体に対して垂直方向）に延在し得、そのような加熱要素は、円筒状部分の円形断面の円周の周りに間隔を置いて配置され得る。より特定実施形態によれば、別個の円筒状部分に沿って軸方向に延在する別個の加熱要素群は、径方向に一定の間隔（例えば、一定の距離で区切られた径方向間隔）で離間していてもよい。あるいは、このような個別の群は、好ましくは触媒層容積の中心又は周囲に向けて熱入力及び／又は温度制御を提供するような不規則な間隔で径方向に離間してもよい。
図１Ｅは、図１Ａの実施形態による別の特定例を示し、図１Ｂ～１Ｄと同様に、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る例示的な上部断面図を提供する。本実施形態によれば、加熱要素５’は単一の中央加熱要素を含むことができる。代替的に、又は組み合わせて、加熱要素５’は、例えば、曲面を有する加熱要素（例えば、チューブの形態）を含んでもよく、このような曲面を有する加熱要素は、（図１Ａ～１Ｄに示す加熱要素５’の場合のように）軸方向又は長さ寸法だけでなく、図１Ｄの実施形態では共通半径Ｒ’が延在する寸法に対応する周方向寸法にも引き伸ばされている。図１Ｅの実施形態では、単一の中央加熱要素及び／又は各管状加熱要素５’は、それぞれの電圧源２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃによって別々に制御されて、図１Ｄの実施形態に関して上述したのと同様の方法で熱及び温度制御を提供することができる。
図１Ｆは、図１Ａに関して上述した実施形態を示しているが、ここで、加熱要素５’は、図１Ａの実施形態に示される方向に対して延在する直線状のセグメントの形態である。セグメントの場合、所望の量の熱は、触媒層容積にわたる所与の長さの選択された軸方向位置においてのみ発生することができる。図１Ｆの実施形態では、個別のセグメントを制御するために、個別の電圧源（図示せず）を使用することができる。代替的に、加熱要素は、選択された軸方向部分のみで熱を発生するように構成されてもよく、あるいは、例えば、マルチゾーン加熱要素が使用される場合など、選択された軸方向部分のうちの異なる部分で変化した量の熱を発生するように構成されてもよい。このような実施形態は、長さ方向又は軸方向に延びる加熱要素を使用して、これらの方向におけるさらなる温度制御を可能にする同様に、図２Ｅは、図２Ａに関して上述した実施形態を示しているが、加熱要素５’は、図２Ａの実施形態に関して示された方向に延在している直線状のセグメントの形態である。このような実施形態は、幅方向又は径方向に延在する加熱要素を使用して、これらの方向におけるさらなる温度制御を可能にする。当業者であれば理解できるように、更なる利点は、図１Ｂ～１Ｅ及び２Ｂ～２Ｄに示される特定の加熱要素構成の選択された部分のみで発熱すること、又は、１次元的に細長い加熱要素の直線状のセグメント又は２次元的に細長い加熱要素のエリアセグメントに対応することができる異なる部分で異なる量の熱を発生することである。
図２Ｂは、図２Ａの実施形態の特定例による、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る特徴的な断面図を示す。この図は、触媒層容積５０の円形断面の弦に沿って延在する中央の加熱要素５’のセットを示しており、これらの弦は円形断面の直径を含んでいる。したがって、図２Ｂは、共通の水平面（又は触媒層容積５０の共通の断面）、すなわち図２Ａの中心平面Ａ’-Ａ内に延在する複数の加熱要素を示す特定実施形態を提供する。各要素は、実質的に全幅（例えば、弦又は直径）にわたって延在し、それぞれの電圧源２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅによって別々に制御可能であり、これらの加熱要素５’を介して触媒層容積に入力される熱の独立した制御を提供する。これらの加熱要素５’は、流れ方向全体に垂直な共通水平面内に延在するように特徴づけられてもよい。同様の複数の加熱要素５’は、水平方向に延在し、触媒層容積の幅の少なくとも一部、例えば全部又は実質的に全部にわたって延在してもよいが、中心平面Ａ’-Ａ以外の垂直位置又は軸方向位置、例えば垂直位置又は軸方向位置の上方及び／又は下方に延在してもよい。例えば、図２（Ａ）の図に示すような加熱要素は、中心平面Ａ’-Ａの軸方向の上下の位置の両方で水平に延在している
したがって、加熱要素は、内部空間の円筒状部分に対して、又は触媒層容積の円筒状部分に対して径方向（例えば、円形断面の弦に沿って水平方向、流れ方向全体に対して垂直方向）に延在し、一定の間隔（例えば、一定の距離で区切られた軸方向間隔）で軸方向に離間してもよい。あるいは、このような個別の群は、軸方向に不規則な間隔で離間していてもよく、例えば、反対側の端部に対して触媒層容積の一方の端部に優先的に熱入力及び／又は温度制御を提供する。例えば、加熱要素が触媒素容積（又は反応器若しくはその内部空間）の一端に近い方に配置される間隔は、加熱要素が反対側の端に近い方に配置される間隔と比べて小さくてもよい。特定実施形態によれば、入口端に近く改質器原料入口１０と連通する間隔は、例えば入口端から出口端までの間隔が徐々に増加している場合、出口端に近く改質器生成物出口２０と連通する間隔よりも（反応器が上昇流又は下降流構成のいずれに使用されているかにかかわらず）小さくすることができる。このような径方向に延在する加熱要素の間隔は、熱需要及び／又は反応熱消費又は生成が一般的に最大となる場所に、熱入力及び／又は温度制御を集中させることを可能にする。
図２Ｃ及び２Ｄは、反応器を上部及び下部に分割する中心平面Ａ’-Ａを通る他の特徴的な上部断面図による、図２Ａの実施形態の他の例を示す。これらの図は、それぞれ、中央の平面状加熱要素５’、より具体的には、図２Ｃの実施形態における中央の矩形加熱要素と、図２Ｄの実施形態における中央の円形加熱要素とを示し、各加熱要素は、中心平面Ａ’-Ａにおいて触媒層容積５０の円形断面の一部にわたって延在している。したがって、図２Ｃ及び２Ｄに示す実施形態では、これらの加熱要素５’は、２次元、すなわち、幅及び長さ（又は深さ）の次元、又は角度及び径方向の次元で細長い。これらの平面状加熱要素は、図２Ｂの実施形態に示されたものとは異なる。図に示された加熱要素５’は、２次元ではなく１次元的に細長い。これらの平面状加熱要素も、また、図１Ｃ及び図１Ｅの実施形態に示された加熱要素とは異なり、これらは、二次元に細長いが、流れ方向全体とほぼ平行に整列した表面を有する（例えば、この方向に平行であるか、この方向に平行な細長い寸法を持っている）。流れ方向全体に実質的に垂直な面を有する平面状加熱要素５’に鑑みて、このような平面状加熱要素５’は、触媒層容積を通るガス状混合物流を収容するための開口３０をさらに含むことができ、このような開口３０の大きさは、ガス状混合物の流れ分布を改善するように設計することができる。これに加えて、同様の平面状加熱要素は、触媒層容積の円形断面の一部にわたって延在するが、例えば、中心平面Ａ’-Ａ以外の垂直又は軸方向の位置、例えば、この垂直又は軸方向の位置の上方及び／又は下方に延在することができる。この場合、特定の動作に応じて、所与の加熱要素５’の上方及び／又は下方に配置された加熱要素５’の開口は、所与の加熱要素５’の開口３０から軸方向に整列されてもよいし、そうでなければ軸方向にオフセットされてもよい。例えば、軸方向にオフセットされた開口は、有益な混合効果を提供し、軸方向に整列された開口は、圧力損失を低減することができる。
さらに別の実施形態によれば、加熱要素は、例えば触媒層容積内に充填可能なブロック状ヒータの形態のように３次元的であってもよい。例えば、図１Ａの実施形態に係る細長い加熱要素５’は、相当な直径を有するように製造することができ、図２Ｃ及び２Ｄの実施形態に係る平面状加熱要素５’は相当な厚さ（軸方向寸法の高さ）を有するように製造することができる。後者の場合、孔３０は、固体ブロックがこのような従来の改質炉の周囲の熱を供給する従来の改質炉内の触媒管により近いものとなる。
有利には、電気加熱式改質反応器は、任意選択で、１つ又は複数の上昇流ガス処理容器及び／又は下降流フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成反応器などの他の処理設備（例えば、上昇流及び／下降流）とともに、炭化水素燃料ではなく熱源として電気を使用することによりコンパクトになる可能性を考慮して、可搬式（例えば、空気、海、陸地）にしてもよい。したがって、代表的な実施形態は、既存の製油所規模で運転されている場所に経済的に輸送して処理するのに十分でない入手可能な量の改質器原料源の遠隔地に、そのような反応器及び任意に関連する設備を輸送することを含むことができる。例えば、これらの遠隔地には、メタンやその他の軽質炭化水素のソースとなる坑口やバイオマス消化器が含まれている。代替的に又は追加的に、上昇流及び下降流の処理設備に加えて、このような関連設備は、性能を制御、監視及び評価するのに十分なプロセス及び処理設備を含むことができる。いくつかの実施形態では、可搬式に作られた電気加熱式改質反応器及び関連設備は、改質器原料源（例えば、精製された又は不純なメタンと蒸気）、ならびに電気や場合によっては他の公益事業のローカルソースとの試運転（接続）時に完全に動作することができる。
代表的な実施形態では、電気加熱式改質反応器及び任意の関連設備、特に処理及び分析機器は、通常、約１０ｍ３未満（例えば、約２ｍ３～約１０ｍ３）、代表的には８ｍ３未満（例えば、約２ｍ３～約８ｍ３）、多くの場合６ｍ３未満（例えば、約２ｍ３～約６ｍ３）、約１０ｍ３未満などの容積を有する容器内に収容することができるか又は少なくとも収容する可能性がある。全体的には、本明細書に記載された電気加熱式改質反応器の簡略性及びコンパクト性の向上により、小規模で動作することが有利に可能になり、これにより、それらは、いくつかの実施形態では、例えばトラック、船、列車、又は航空機によって適切な改質器原料（例えば、立ち往生した天然ガスの坑口やソース）に輸送され得る。いくつかの実施形態では、これらの反応器及び任意の関連設備は、それらの運搬を容易にするために、スキッドに取り付けられ得る。
複数の加熱要素を使用することによって生じる更なる利点は、触媒層がガス流に垂直で、軸方向の長さに関して、ガス流（例えば、比較的大きい層直径対長さの比、又は比較的小さい長さ対直径比、Ｌ／Ｄ）に平行な大きな表面積を有する場合に生じる可能性のあるガス流分布の不整合を補償する能力にある。例えば、径方向寸法における温度分布の制御を使用して、フローチャネリングの影響を検出及び／又は相殺することができる。これにより、反応器の設計、特に触媒層容積、内部空間、及び反応器自体の寸法に大きな柔軟性を持たせることができる。いくつかの実施形態では、電気改質反応器は、必要に応じて、それぞれの広くて短い内部空間と触媒層容積とを組み合わせて、比較的広くて短くすることができる。例えば、少なくとも円筒形の中央部分を有する円筒形反応器の場合、そのような円筒状部分のＬ／Ｄ及び／又は内部空間又は触媒層容積は約１０未満（例えば、約０．５～約１０）、約７未満（例えば、約１～約７）、又は約３未満（例えば、約１～約３）であり得る。
改質プロセス
本発明の他の実施形態は、（ｉ）炭化水素と、（ｉｉ）Ｈ２Ｏ及び／又はＣＯ２との両方を含む改質器原料を、本明細書に記載のように電気加熱式改質反応器の触媒層容積内に配置された触媒と接触させることを含む、改質プロセス又は合成ガス生成物を製造するプロセスに関する。例えば、（運転中に改質触媒を含む）触媒層容積は、触媒の所望の領域において所望の程度の熱入力及び温度制御を提供するために、それを部分的又は完全に通って延在する複数の加熱要素を有することができる。従来のガス燃焼炉とは異なり、加熱要素は、所与のプロセス、原料、所望の生成物及び／又は性能、又は変化する反応パラメータに特に併せて調整された、均一又は不均一な加熱を提供することができる。したがって、代表的なプロセスは、加熱素子の所定の構成（例えば、ここで記載の構成）を利用すること、異なる径方向位置に配置された加熱要素によって触媒に異なる加熱速度を供給すること、及び／又は異なる軸方向位置に配置された加熱要素によって触媒に異なる加熱速度を供給することを含む。熱入力は、触媒の単位時間当たりに伝達できる熱量（例えば、ジュール／秒又はワット）、又は単位容積あたりに単位時間あたり伝達できる熱量（例えば、ワット／ｃｍ３）に基づく。代表的なプロセスは、改質による変換を達成するために、原料と触媒とを接触させた後、合成ガス生成物を取り出すことをさらに含むことができる。
一般に、異なる径方向位置に配置された加熱要素は、触媒層容積内の径方向温度分布を制御するために使用され、異なる軸方向位置に配置された加熱要素は、軸方向温度分布を制御するために使用され得る。しかしながら、上述したように、例えば、セグメント化又はマルチゾーン化された加熱要素を用いる場合、軸方向温度分布を異なる径方向位置に配置された加熱要素を用いて制御することも、及び／又は、異なる軸方向位置に配置された加熱要素を用いて制御することも可能である。場合によっては、異なる径方向位置に配置された加熱要素を、異なる軸方向位置に配置された加熱要素と組み合わせて使用することができる。例えば、改質は、異なる径方向位置に配置された加熱要素又は異なる軸方向位置に配置された加熱要素を利用して、触媒層容積の入口端にで、出口端とは反対側に対してより速い加熱速度（例えば、改質器原料入口と連通している）を供給するように行われてもよい。特定実施形態では、熱入力は、触媒層容積の軸方向長さの残りの軸方向長さの熱入力に対して、触媒層容積の軸方向長さの最初の１０％、最初の２０％、又は最初の５０％の範囲内で増加させることができる。特に吸熱改質反応の場合、軸方向温度分布を制御することにより、同じ総熱入力量が均一に触媒に供給される比較ベースライン方法で得られる最低温度よりも上昇した最低温度を（例えば、触媒層の中心線に沿って）有する分布とすることができる。このような比較ベースライン方法と同様に、改質プロセスは、触媒層を取り囲む周辺断熱層を少なくとも部分的に使用することにより、実質的に断熱的な方法とすることができる。軸方向温度分布の制御は、例えば、加熱要素が入口端から出口端に向かって安定的に増加する軸方向温度分布（例えば、触媒層の中心線に沿って）を提供する場合に、触媒層容積の入口端より下流に位置する最小層温度を除去することができる。一般に、代表的な改質反応によれば、反応器の出口よりも反応器入口に近い場所でより大きな熱入力を提供することは、（例えば、上記の比較ベースライン方法と比較して）、温度勾配、又は触媒層内の最高温度と最低温度の温度差を減少させることができる。これにより、他の等価なプロセス条件の所与のセットにおける炭化水素変換率がより高くなり得る。
本明細書に記載された電気加熱式改質反応器及びこれらの反応器を使用する関連プロセスのさらに重要な利点は、所与のプロセス中に異なる熱入力を（例えば、時間に依存した形で）経時的に制御する能力を含む。例えば、改質器原料の組成、合成ガス生成物の組成、及び／又は触媒の使用年数又は条件を含む、経時的に変化し得る様々な運転パラメータに応答して、触媒層容積内の異なる領域への熱入力を制御して、そのような変化の影響を補償又は他の方法で利用することができる。例えば、熱入力は、触媒層の入口端から出口端まで時間とともに移動する軸方向位置で増加させて（例えば、最大の熱入力を提供）、その方向で起こり得る触媒の不活性化を補償し、それによって触媒の全体的な利用率を向上させることができる。このようにして熱入力を制御することは、触媒の経時的な不活性化の予測速度に基づいてもよい。代替的に、この制御は、改質反応の開始位置を示す触媒層内の温度測定に基づいてもよい（例えば、吸熱反応の開始による低温度測定値）。あるいは、この制御は、反応器、触媒層での圧力降下又は変換損失など、触媒不活性化の別の指標の測定に基づいてもよい。
Ｈ２Ｓのような改質器原料組成の変化、又は触媒活性に有害である可能性のある他の成分の測定濃度の増加に応答して、所与の領域（例えば、触媒層の入口端又はその近く、出口端又はその近く、あるいは場合によっては触媒層の中央領域）における入熱を増加させることができる。Ｈ２の測定濃度の低下、炭化水素の測定濃度の増加、又は変換損失の他の指標の測定など、合成ガス組成の変化に応答して、所与の領域（例えば、触媒層の入口端又はその近く、出口端又はその近く、又は場合によっては触媒層の中央領域）における熱入力を増加させることができる。プロセス性能、特に変換に影響を与える可能性のある任意のパラメータ（例えば、動作圧力又は空間速度）の変化に応答して、所与の領域（例えば、触媒層の入口端又はその近く、出口端又はその近く、又は場合によっては触媒層の中央領域）における熱入力を増加させることができる。
改質プロセス又は合成ガス生成物を製造するプロセスの特定の例によれば、改質器原料は、（ｉ）メタン及び／又は他の炭化水素（例えば、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ８、Ｃ３Ｈ６、Ｃ４Ｈ１０、Ｃ４Ｈ８、Ｃ５Ｈ１２、Ｃ５Ｈ１０、高分子量炭化水素のいずれか１種又はこれらの混合物）、及び（ｉｉ） ＣＯ２を含んでもよい。この点において、これらの炭化水素の乾式改質によれば、ＣＯ２は単独でメタン及び／又は他の炭化水素をＣＯ及びＨ２に酸化する酸化剤として機能することができ、例えばアルカンの場合は、以下のように生成され得る。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ２
好ましい実施形態では、すなわち、改質器原料はさらにＨ２Ｏを含む実施形態では、ＣＯ２とＨ２Ｏとの組み合わせは、酸化剤として機能することができる。この場合の反応は、「ＣＯ２－水蒸気改質反応」であり、メタン及び／又は他の炭化水素から合成ガスを生成する経路として水蒸気改質をさらに含み、例えばアルカンの場合、以下のように生成され得る。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２
一方、メタンの乾式改質から生成される合成ガス生成物の理論モルＨ２：ＣＯ比は１であるが、メタンのＣＯ２－水蒸気改質に水蒸気改質を加えることは、次のように、液体炭化水素を製造するための下降流フィッシャー・トロプシュ合成により有利な値までモル比を増加させる可能性を有利に提供する。
（２ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯ→ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ
このことから、液体燃料又は液体燃料の成分として好ましいＣ４ ＋炭化水素、例えばＣ４～Ｃ１２炭化水素がモルＨ２：ＣＯ比が略２である状態で形成されるのが好ましいことは観察される。酸化剤としてのＣＯ２及び／又はＨ２Ｏの相対量、改質器原料中のＣＯ及び／又はＨ２の量、及び任意に他の運転パラメータを調整することや、場合によっては下降流変換（例えば、水－ガスシフト反応）を使用することにより、Ｈ２：ＣＯ比が、一般的に約０．７５：１～約５：１、例えば約０．７５：１～約２．５：１、約１：１～約２．５：１、又は約１．７：１～約２．３：１の合成ガス生成物を得ることができる。
したがって、本明細書に記載の電気加熱式改質反応器の触媒層容積に含まれ得る代表的な改質触媒は、メタン及び／又は他の炭化水素とＣＯ２及び／又はＨ２Ｏとの反応を触媒するのに適している。特定の触媒は、固体支持体上に貴金属を含んでもよく、２種類以上の貴金属を含んでもよい。「固体支持体上」という表現は、支持体表面上及び／又は支持体の多孔性内部構造内に活性金属が存在する触媒を含むことが意図される。固体支持体は、金属酸化物、特に酸化セリウムを含むことが好ましい。固体支持体の重量に基づいて、酸化セリウムは少なくとも約６０重量％、好ましくは少なくとも約７５重量％の量で存在することができる（例えば、固体支持体中の金属酸化物の総量に対するもの）。固体支持体は、酸化セリウムと、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウムなどの１つ又は複数の他の金属酸化物との全部又は実質的に全部の組合せ量（例えば、約９５重量％を超える）を含むことができる。このような他の金属酸化物は、アルミナであることが好ましい。酸化セリウム及びこのような１つ又は複数の他の金属酸化物に加えて、他の成分も固体支持体中に存在することができ、好ましくは、約１０重量％未満、約５重量％未満、又は約１重量％未満のように、固体支持体の小さな部分を表す組み合わせの量で存在することができる。他の実施形態では、固体支持体は、このような他の金属酸化物を、単独で、又は少量（例えば、約５０重量％未満又は約３０重量％未満）の酸化セリウムと組み合わせて含むことができる。
貴金属は酸化に強い金属元素の一種であると理解されている。代表的な実施形態では、触媒の貴金属、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び金（Ａｕ）からなる群から選択される少なくとも２つの貴金属があり、特定実施形態によれば、「からなる」という用語は、貴金属が選択された群メンバーを表すためにのみ使用されるが、他の貴金属及び／又は他の一般的な金属の添加を排除しない。したがって、貴金属を含む触媒は、少なくとも２種類の貴金属を含む触媒、少なくとも３種類の貴金属を含む触媒、及び同様に２種類の貴金属と促進剤金属のような第３非貴金属（例えば、遷移金属）を含む触媒を含む。好ましい実施形態によれば、貴金属は、触媒の重量に基づいて、約０．０５重量％～約５重量％、約０．３重量％～約３重量％、又は約０．５重量％～約２重量％の量で存在し、又は任意に、少なくとも２つの貴金属は、それぞれ独立して、約０．０５重量％～約５重量％の量で存在する。例えば、代表的な触媒は、２種類の貴金属Ｐｔ及びＲｈを含んでいてもよく、Ｐｔ及びＲｈは、これらの範囲のいずれかの量で独立して存在していてもよい（例えば、約０．０５重量％～約５重量％）。すなわち、Ｐｔはこの量であってもよいし、Ｒｈはこの量であってもよいし、ＰｔとＲｈの両方がこの量であってもよい。
代表的な実施形態では、少なくとも２つの貴金属（例えば、Ｐｔ及びＲｈ）は、触媒中に存在する実質的に唯一の貴金属であり、例えば、他の任意の貴金属の存在量又は結合量が、触媒の重量に基づいて約０．１重量％未満又は約０．０５重量％未満となるようにすることができる。さらに代表的な実施形態では、少なくとも２つの貴金属（例えば、Ｐｔ及びＲｈ）は、固体支持体中に存在する金属（例えば、固体支持体中に酸化セリウムとして存在するセリウムなど）を除き、実質的に触媒中に存在する唯一の金属である。例えば、少なくとも２つの貴金属及び固体支持体の金属に加えて、他の任意の金属の存在量又は組み合わせ量は、触媒の重量に基づいて約０．１重量％未満、又は約０．０５重量％未満とすることができる。貴金属を含む触媒中に存在する任意の金属は、一般に約０．３ｎｍ（ｎｍ）～約２０ｎｍの範囲、一般に約０．５ｎｍ～約１０ｎｍ、及び一般に約１ｎｍ～約５ｎｍの範囲の金属粒径を有することができる。
貴金属は、昇華、含浸又は乾式混合を含む公知の触媒調製技術に従って固体支持体に組み込むことができる。含浸は好ましい技術であり、極性（水性）又は非極性溶媒（例えば、有機）中の１つ又は複数の貴金属の可溶性化合物の含浸溶液は、好ましくは不活性雰囲気下で固体支持体と接触させることができる。このような接触は、例えば、窒素ガス、アルゴンガス及び／又はヘリウムガスの周囲雰囲気中で、又は空気中等の不活性でない雰囲気中で、好ましくは攪拌下で行うことができる。次いで、乾燥した貴金属含浸支持体を残して、例えば加熱、流動ガス及び／又は真空条件を用いて固体支持体から溶媒を蒸発させることができる。貴金属は、例えば、２種類の貴金属を同時に含浸させる場合には、両者を同一の含浸液に溶解させたり、異なる含浸液と接触ステップを用いて別々に含浸させたりすることができる。いずれの場合も、貴金属含浸支持体は、触媒を提供するために、過剰な貴金属及び不純物を除去するために溶媒で洗浄するなどのさらなる調製ステップ、さらなる乾燥や焼成などなどを経てもよいいい。
固体支持体自体は、円筒状粒子（押出物）を形成するために押出されるか、又は油滴を形成するために噴霧乾燥されるかのような公知の方法に従って製造することができる。固体支持体及び得られる触媒粒子の具体的な形状（例えば、円筒形や球形などの任意の形状）にかかわらず、上記のように、触媒中に存在する貴金属の量は、粒子中の貴金属の具体的な分布にかかわらず、所与の触媒粒子中のそのような貴金属の平均重量を意味する。この点で、異なる調製方法は、貴金属が主に固体支持体の表面又はその近傍に担持されたり、固体支持体全体にわたって均一に分布したりするなど、異なる分布を提供することができることが理解される。一般に、固体支持体の重量に基づいて、又は他の方法では触媒の重量に基づいて、本明細書に記載された重量％は、単一の触媒粒子中の重量％を意味することができるが、より典型的には、本明細書に記載された方法で使用される触媒層を形成する反応器中の数のような多数の触媒粒子の平均重量％を意味する。
メタンを含む改質器供給原料の場合、このメタンの重要なソースは天然ガス、特に既知のプロセスを使用しても経済的な方法で合成ガス生成物に容易に変換できない立ち往生した天然ガスである。比較的高濃度のＣＯ２、例えば少なくとも約１０モル％又は少なくとも約２５モル％を含む天然ガスは、本明細書に記載された触媒のいくつかが、上流からＣＯ２を（例えば、アミン溶液でスクラブすることによって）除去することなく十分に機能するので、好適なメタン源を表すことができる。改質器原料用のメタンの他のソースは、石炭又はバイオマス（例えば、リグノセルロース又はチャー）ガス化から、バイオマス消化器から、又は再生可能な炭化水素燃料（バイオ燃料）製造プロセス（例えば、加水熱分解プロセスなどの熱分解プロセス、又は脂肪酸／トリグリセリド水素化変換プロセス）からの流出物として得ることができる。メタンの他のソースは、石油精製プロセス（製油所オフガスとして）、電力生産プロセス、鉄鋼製造プロセス又は非鉄金属製造プロセス、化学（例えば、メタノール）製造プロセス又はコークス製造プロセスを含む工業プロセスからの坑口又は排水から得ることができる。一般に、炭化水素（例えば、Ｃ１～Ｃ３炭化水素）を含むことが知られているとともに、任意にＣＯ２のような他のガス状成分を含むプロセスガスは、改質器原料の全部又は一部、又はこの原料のメタン成分の少なくとも全部又は一部を提供することができる。
改質器原料が、ガス技術協会に譲渡された米国特許第８,９１５,９８１号に記載のように、水素化熱分解によって得られたプロセス流から得られたメタンなど、再生可能な資源（例えば、バイオマス）から得られたメタンを含む場合、本明細書に記載のプロセスを使用して、再生可能な炭化水素含有燃料、燃料混合成分および／または化学品を提供するためにさらに処理され得る再生可能な合成ガス生成物（例えば、再生可能なＣＯを含む）を製造することができる。したがって、改質器原料は、再生不可能なソース例えば、天然ガス）からのメタン及び／又は再生可能なソース（例えば、バイオマス）からのメタンと、を含んでもよく、後者のソースは、合成ガス生成物と下流生成物に関連するカーボンフットプリントを全体的に減少させる。改質器原料用の天然ガス及び／又は他のメタンソースは、Ｈ２Ｓ及び他の硫黄含有汚染物質を除去するために、改質前（例えば、乾式改質、水蒸気改質、又はＣＯ２－水蒸気改質）に前処理を行うことができるが、これを必要としない。
代表的な実施形態では、改質条件は、一般的に約０．０５時間－１～約１０時間－１、代表的には約０．１時間－１～約４．０時間－１、多く場合約０．３時間－１～約２．５時間－１の重量空間速度（ＷＨＳＶ）を含むことができる。当業者が理解するように、ＷＨＳＶは、改質器原料の重量流量を反応器内の触媒の重量で割ったものであり、１時間当たりに処理される原料流れの等価触媒層重量を表す。ＷＨＳＶは反応器の滞留時間の逆数に関係している。
他の改質条件は、平均触媒層温度が一般的に約６４９℃（１２００°Ｆ）～約８１６℃（１５００°Ｆ）であり、触媒層全体の特定温度は、好ましくは主に本明細書に記載された抵抗又は誘導加熱要素によって制御される。本明細書に記載されている平均触媒層温度とは、所定の温度における触媒の量又は重量分率を考慮した加重平均層温度を意味する。より特定実施形態では、改質条件は、約６７７℃（１２５０°Ｆ）～約７８８℃（１４５０°Ｆ）又は約７０４℃（１３００°Ｆ）～約７６０℃（１４００°Ｆ）の範囲の平均触媒層温度を含むことができる。上述したように、Ｈ２Ｓ及び／又は他の硫黄含有汚染物質が大量（例えば、１００～１０００ｍｏｌ－ｐｐｍ）に存在することは、例えば、炭化水素所望の変換率レベル（例えば、約８５％を超える）を維持するために、例えば、約７３２℃（１３５０°Ｆ）～約８４３℃（１５５０°Ｆ）、約７６０℃（１４００°Ｆ）～約８１６℃（１５００°Ｆ）の範囲での平均触媒層温度の上昇を保証することができる。さらに他の改質条件には、周囲圧力を超える圧力、すなわち、絶対圧力１０１ｋＰａ（１４．７ｐｓｉａ）に相当するゲージ圧０ｋＰａ（０ｐｓｉｇ）よりも高い圧力が含まれ得る。改質反応により生成される生成物のモル数は反応物のモル数よりも多いので、比較的低い圧力でバランスを取るのに有利である。したがって、改質条件は、一般的に約０ｋＰａ（０ｐｓｉｇ）～約５１７ｋＰａ（７５ｐｓｉｇ）、代表的には約０ｋＰａ（０ｐｓｉｇ）～約３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）、多くの場合約１０３ｋＰａ（１５ｐｓｉｇ）～約２０７ｋＰａ（３０ｐｓｉｇ）のゲージ圧を含むことができる。
上記で与えられた平均触媒層温度範囲は、例えば、特定の反応器又は触媒層温度（例えば、本明細書に記載の加熱要素を使用して、触媒層容積内のさまざまな領域に多かれ少なかれ熱を入力する）及び／又は他の改質条件（例えば、ＷＨＳＶ及び／又は圧力）を調整することによって、本開示から当業者が得た知識によって理解されるように、メタン及び／又は他の炭化水素の少なくとも約８０％（例えば、約８０％～約９９％）、少なくとも約８５％（例えば、約８５％～約９７％）、又は少なくとも約９０％（例えば、約９０％～約９９％）の変換率（例えば、メタンの変換、Ｃ１～Ｃ３炭化水素の組み合わせの変換、Ｃ１～Ｃ４炭化水素の組み合わせの変換、ナフサ沸点範囲炭化水素の変換、ジェット燃料沸点範囲炭化水素の変換など）を達成するのに一般的に適している。有利には、本明細書に記載の貴金属含有触媒は、平均触媒層温度が約７３２℃（１３５０°Ｆ）以下、あるいは約７０４℃（１３００°Ｆ）以下で、安定した方法で、例えば少なくとも約８５％の顕著な炭化水素（例えば、メタン）変換率を達成するのに十分な活性を有する。酸化剤反応物の場合、本明細書に記載の炭化水素に関する変換率レベルでは、ＣＯ２の代表的な変換率は少なくとも約５０％（例えば、約５０％～約７５％）であり、一方、Ｈ２Ｏの代表的な変換率は少なくとも約７０％（例えば、約７０％～９０％）である。当技術分野において理解されるように、特定の化合物（例えば、メタン）又は化合物の組合せ（例えば、Ｃ１～Ｃ４炭化水素又はＣ１～Ｃ３炭化水素）の変換率は、以下の方法に基づいて計算され得る。
１００＊（Ｘ原料－Ｘ生成物）／Ｘ原料
ここで、Ｘ原料は、反応器に供給される改質器原料中の化合物Ｘの総量（例えば、総重量又は総モル）であり、Ｘ生成物は、反応器から取り出される合成ガス中の化合物Ｘの総量である。連続プロセスの場合、これらの総量は、流量又は単位時間当たりの総量で表すとより便利になる（例えば、総重量／時間又は総モル／時間）。本明細書に記載のような触媒及び改質条件と組み合わせて電気加熱改質反応器を使用して達成できる他の性能基準には、高い水素収率、又は反応器から取り出された合成ガス中でＨ２に変換される反応器に供給される改質器原料中のメタン及び／又は他の水素含有化合物（例えば、Ｃ２～Ｃ４炭化水素又はＣ２～Ｃ３などの炭化水素中の総水素）中の総水素の一部が含まれる。代表的な実施形態では、水素収率は少なくとも約７０％である（例えば、約７０％～約８５％）。変換に関して上述したように、反応器に供給される量及び反応器から除去される量は、流量で表され得る。
上記の範囲内のＨ２：ＣＯモル比に加えて、代表的な合成ガス生成物は、一般に少なくとも約３５モル％（又は体積％）（例えば、約３５モル％～約８５モル％）、代表的には少なくとも約５０モル％（例えば、約５０モル％～約８０モル％）、多くの場合少なくとも約６０モル％（例えば、約６０モル％～約７５モル％）のＨ２とＣＯとの複合濃度を有する。上述したように、合成ガス生成物のバランスは、このようなプロセスの条件（例えば、平均触媒層温度、圧力、重量空間速度、触媒組成などの反応器内の条件）及び反応対象の原料又はガス混合物を含む特定の乾式改質プロセスに依存して、実質的に又は全体的にＣＯ２及び水であってもよい。
代表的な実施形態では、ＣＯ２は、一般に約４５モル％未満（例えば、約５モル％～約４５モル％）、代表的には約３５モル％未満（例えば、約１０モル％～約３５モル％）の濃度で合成ガス生成物中に存在する。水は、一般に約２０モル％未満（例えば、約１モル％～約２５モル％）、代表的には約１５モル％未満（例えば、約５モル％～約１５モル％）の濃度で存在することができる。少量の未変換炭化水素も合成ガス中に存在することができる。例えば、Ｃ１～Ｃ３炭化水素のみを含むことができるＣ１～Ｃ４炭化水素（例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンの組み合わせ量）の組み合わせ量は、約５モル％未満、代表的には約２モル％未満の濃度で存在することができる。
全体的には、本発明の態様は電気加熱式改質反応器、及び合成ガス生成物を製造するためのプロセスにおけるその使用に関し、触媒層内の特定の領域への熱入力を制御し、それによって、１次元、２次元又は３次元に沿って温度分布をカスタマイズすることで、運転目標を達成し、プロセスパラメータの変化を管理することに関して、複数の利点が得られ得る。これらの反応器の他の利点は、そのコンパクト性、可搬性、操作の容易さ（例えば、急速加熱と炭化水素改質の試運転）に関連しており、これに加えて、経済的に処理できる改質器原料源（例えば、遠隔地にあるメタンソース）の点では柔軟性がある。本開示から得られた知識を有する当業者は、本開示の範囲を逸脱することなく、これら及び他の利点を得るために、開示された反応器及び方法に様々な変更を加えることができることを認識する。したがって、本開示の特徴は、本発明の態様の範囲を逸脱することなく、修正及び／又は置換の影響を受けやすいことが理解されるべきである。本明細書で示され、説明される特定実施形態は、説明の目的のためだけに使用され、添付の特許請求の範囲に記載された本発明を限定するものではない。

Claims (20)

  1. 触媒を収容するための触媒層容積を含む内部空間を画定するアウターシェルを含む電気加熱式改質反応器であって、前記触媒層容積を部分的に又は完全に通って延在し、前記触媒層容積内の個々の領域を加熱するように構成された複数の加熱要素をさらに含む、電気加熱式改質反応器。
  2. 前記複数の加熱要素は、抵抗加熱要素又は誘導加熱要素である、請求項１に記載の電気加熱式改質反応器。
  3. 前記複数の加熱要素は、１つ又は複数の別々に制御可能な加熱要素又は１つ又は複数の別々に制御可能な加熱要素群を含む、請求項１又は２に記載の電気加熱式改質反応器。
  4. ガス状反応混合物を前記触媒層容積の入口端から出口端へ流れ方向全体に流すように構成された改質器原料入口及び改質器生成物出口をさらに含み、
    前記複数の加熱要素は、前記入口端から前記出口端までの長さの少なくとも一部にわたって流れ方向全体に沿って一方向に延在し、又は、
    前記複数の加熱要素は、流れ方向全体とは異なる方向に一方向に延在している、請求項１～３のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  5. 前記複数の加熱要素は、前記触媒層容積の幅の少なくとも一部にわたって一方向に延在している、請求項４に記載の電気加熱式改質反応器。
  6. 前記複数の加熱要素は、前記内部空間の円筒状部分に対して軸方向に延在し、径方向に規則的又は不規則な間隔で離間している、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  7. 前記複数の加熱要素は、前記内部空間の円筒状部分に対して径方向に延在し、軸方向に規則的又は不規則な間隔で離間している、請求項１～６のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  8. 前記複数の加熱要素は、不規則な間隔で離間し、かつ前記触媒層容積の一方の端部に近い間隔が、前記触媒層容積の他方の端部に近い間隔よりも小さい、請求項７に記載の電気加熱式改質反応器。
  9. 前記複数の加熱要素は、抵抗性又は誘導性のワイヤ又は棒の形態である、請求項の１～８のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  10. 前記複数の加熱要素は、プレートの形態である、請求項１～９のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  11. 前記複数の加熱要素は、様々なサイズの管状部材の形態である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の電気加熱式改質反応器。
  12. 改質触媒を収容するための触媒層容積を含む内部空間を画定するアウターシェルを含む電気加熱式改質反応器であって、前記触媒層容積を通って一方向に延在し、前記触媒層容積を加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素をさらに含む、電気加熱式改質反応器。
  13. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記触媒層容積の中心を通って延在している、請求項１２に記載の電気加熱式改質反応器。
  14. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記触媒層容積の中心軸に沿って延在している、請求項１３に記載の電気加熱式改質反応器。
  15. （ｉ）炭化水素と、（ｉｉ）Ｈ２Ｏ及び／又はＣＯ２との両方を含む改質器原料を、複数の加熱要素が部分的又は完全に通って延在する前記触媒層容積内に配置された触媒と接触させるステップを含む、合成ガス生成物の製造方法であって、
    異なる径方向位置に配置された加熱要素によって前記触媒に異なる加熱速度を供給し、又は
    異なる軸方向位置に配置された加熱要素によって前記触媒に異なる加熱速度を供給するステップと、
    接触後、前記合成ガス生成物を取り出すステップと、を含む、方法。
  16. 異なる径方向位置に配置された加熱要素又は異なる軸方向位置に配置された加熱要素は、前記触媒層容積の入口端で、反対側の出口端に対してより速い加熱速度を供給する、請求項１５に記載の方法。
  17. 異なる径方向位置に配置された加熱要素は、前記触媒層容積内の径方向温度分布を制御する、又は
    異なる軸方向位置に配置された加熱要素は、前記触媒層容積内の軸方向温度分布を制御する、請求項１５又は請求項１６に記載の方法。
  18. 前記軸方向温度分布を制御することにより、前記触媒に同一の総加熱速度を均一に供給することにより得られるベースライン最低温度に対して上昇する最低温度を有する前記軸方向温度分布が得られる、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記触媒に対する異なる加熱速度は、時間依存的に制御される、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記異なる加熱速度は、前記改質器原料の組成、前記合成ガス生成物の組成、又は前記触媒の使用年数又は条件に応じて制御される、請求項１７に記載の方法。
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