KR20220075347A - 암모니아로부터 맞춤형 수소 - Google Patents

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KR20220075347A
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피터 묄가르트 모르텐센
카스페르 에밀 라르센
킴 아스베르그-페테르센
로버트 클라인
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

암모니아를 포함하는 원료 가스의 수소로의 암모니아 크래킹 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템 및 과정이 제공되며, 여기서 흡열 암모니아 크래킹 반응을 위한 열은 저항 가열에 의해 제공된다.

Description

암모니아로부터 맞춤형 수소
암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 반응기 시스템 및 과정에 제공되며, 여기서 암모니아 크래킹 반응을 위한 열은 저항 가열에 의해 제공된다.
수소 탱크는 때로 또는 다양한 요구가 있을 때 수소 저장을 위한 전형적인 해결책이다. 그러나, 이러한 탱크에 수소의 저장은 화재나 폭발의 위험이 높아질 수 있다.
수소 생산을 위한 쉽게 저장가능한 반응물을 사용하여 최소한의 작업자 입력이 필요한 비교적 간단한 생산 설정을 사용하는 더 작은 플랜트에서 맞춤형(on-demand) 수소 생산에 대한 필요가 있다.
흡열 촉매 반응을 수행하기 위한 시스템 및 방법은 함께 계류중인 특허출원 PCT/EP2019/062424에 설명된다.
제1 양태에서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 반응기 시스템이 제공되며, 상기 반응기 시스템은:
- 암모니아를 포함하는 원료 가스의 공급;
- 상기 원료 가스의 상기 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하는, 구조화된 촉매;
- 상기 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 유입구 및 생성물 가스의 유출을 위한 유출구를 포함하고, 상기 유입구는 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스가 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가도록 배치된, 압력 쉘;
- 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층;
- 상기 구조화된 촉매 및 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체로서, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가지고, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되며, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성된, 전도체;
- 수소를 포함하는 생성물 스트림을 위한 유출구
를 포함한다.
추가의 양태에서, 원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘을 포함하는 반응기 시스템에서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스의 수소로의 암모니아 크래킹 반응을 수행하기 위한 과정이 제공되며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고; 상기 반응기 시스템에는 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이에 단열이 제공되고, 상기 과정은:
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가도록 배치된 유입구를 통해서 상기 압력 쉘에 공급하고; 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치도록 허용하고 생성물 가스를 상기 압력 쉘로부터 내보내는 단계로서, 상기 생성물 가스는 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가는 단계;
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류가 흐르도록 허용하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되고, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성되며, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하는 단계,
- 반응기 시스템으로부터 수소를 포함하는 생성물 가스를 내보내는 단계
를 포함한다.
추가의 양태에서, 본원에 제시된 반응기 시스템에서 암모니아를 포함하는 원료 가스의 금속-촉매화된 암모니아 크래킹 반응을 제1 정류-상태 반응 조건(A)으로부터 제2 정류-상태 반응 조건(B)으로 또는 반대로 빠르게 전환하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:
상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)에서:
- 제1 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계, 및
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제1 전력을 공급하고, 이로써 제1 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)하에 상기 구조화된 촉매에서 제1 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제1 온도로 가열하고; 상기 제1 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계;
및 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)에서:
- 제2 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계,
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제2 전력을 공급하고, 이로써 제2 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)하에 상기 구조화된 촉매에서 제2 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제2 온도로 가열하고; 상기 제2 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계
를 포함하며;
여기서 상기 제2 전기 전력은 상기 제1 전기 전력보다 높고; 및/또는 상기 제2 총 유량은 상기 제1 총 유량보다 높다.
본 발명의 추가의 양태들이 하기 상세한 설명, 실시예 및 첨부된 청구항들에 제시된다.
도 1a는 거시적 구조의 어레이를 포함하는 구조화된 촉매를 가진 본 발명 반응기 시스템의 한 구체예의 단면을 도시한다.
도 1b는 압력 쉘 및 단열층의 일부가 제거된 도 1a의 반응기 시스템을 도시한다.
도 2는 반응기 시스템의 일부의 확대도이다.
도 3a 및 3b는 구조화된 촉매를 포함하는 본 발명 반응기 시스템의 한 구체예의 모식적 단면을 도시한다.
도 4 및 5는 각각 위와 옆에서 본 거시적 구조의 어레이를 가진 구조화된 촉매의 한 구체예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 구조화된 촉매의 한 구체예를 도시한다.
도 7 및 8은 전도체를 가진 구조화된 촉매의 구체예들을 도시한다.
도 9는 실질적으로 순수한 NH3 원료 가스를 사용했을 때 28 barg에서 온도의 함수로서 H2, N2 및 NH3의 평형 조성을 도시한다.
전기 가열 암모니아 크래킹은 맞춤형 수소 생산을 위해 암모니아 크래킹 촉매를 빠르게 가열하기 위한 해결책을 제공한다. 이것은 예를 들어 다른 촉매층들의 개시 또는 종료를 위해 화학 플랜트에서 수소의 빠른 생성을 허용한다. 화학 플랜트에 대한 긴급한 수소 요구는 종종 수송 시나리오 동안 발생하는데, 플랜트의 안전한 종료가 촉발되고, 민감한 장비나 재료가 보호 분위기에서 보호될 필요가 있기 때문이다. 민감한 재료의 예들은 촉매 물질일 수 있다. 또한, 이 해결책은 수소 생산을 위한 쉽게 저장가능한 반응물을 사용하여 최소한의 작업자 입력이 필요한 비교적 간단한 생산 설정을 사용하여 더 작은 플랜트에서 맞춤형 수소 생산을 허용한다. 또한, 이 방법은 풍력이나 태양열과 같은 재생가능한 전기 공급원으로부터의 전기 에너지 가용성의 변동에 따른 맞춤형 수소 생산을 위한 해결책을 제공한다.
본 기술은 전기 가열된 반응기가 맞춤형 접근법으로 컴팩트한 설계에서 암모니아로부터 수소를 생성하는 작업을 용이하게 하는 방식을 설명한다.
암모니아 크래킹 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다:
2NH3 <-> N2 + 3H2
여기서 ΔHR = 251 kJ/mol이다. 전형적으로, 루테늄(Ru) 촉매가 촉매 활성 물질로 사용된다. 그러나, Fe 및 Co의 활성상도 종종 사용된다.
모노리스 촉매를 사용하는 컴팩트한 전기 반응기는 쉽게 작동될 수 있고, 필요한 경우 수소를 생성하기 위해 손쉬운 개시 원리를 이용할 수 있다. 이것은 수소가 필요한 양으로만 생성될 수 있고 수소 저장이 거의 필요하지 않으며 수소의 수송이 감소되거나 완전히 제거되는 상대적으로 적은 비용의 플랜트를 제공한다. 암모니아 크래킹 과정의 간단한 반응기 장비와 간단한 작동은 비국소적 플랜트에서 수소 생성을 매력적으로 만들며, 이것은 수소 취급 위험을 감소시킨다.
추가로, 열원으로서 전기의 사용은 빠른 개시 및 종료를 허용한다(몇 분 내의). 대시 상태에서 수소 생성으로 그리고 반대로의 이러한 거의 순간적인 전환은 또한 수소 저장에 대한 필요를 감소시킨다.
따라서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 반응기 시스템이 제공되며, 이 반응기 시스템은
- 암모니아를 포함하는 원료 가스의 공급;
- 상기 원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하는, 구조화된 촉매;
- 상기 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 유입구 및 생성물 가스의 유출을 위한 유출구를 포함하고, 상기 유입구는 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스가 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가도록 배치된, 압력 쉘;
- 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층;
- 상기 구조화된 촉매 및 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체로서, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가지고, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되며, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성된, 전도체;
- 수소를 포함하는 생성물 스트림을 위한 유출구
를 포함한다.
반응기 시스템의 레이아웃은 유입구에서 반응기 시스템에 가압된 원료 가스를 공급하고 이 가스를 반응기 시스템의 압력 쉘로 보내는 것을 허용한다. 압력 쉘 내부에서, 단열층과 비활성 물질의 구성형태는 원료 가스를 구조화된 촉매를 통해 보내도록 배열되며, 구조화된 촉매는 촉매 물질과 접촉할 것이고, 촉매 활성 물질이 암모니아 크래킹 반응을 용이하게 할 것이다. 추가로, 구조화된 촉매의 가열은 흡열 반응을 위해 필요한 열을 공급할 것이다. 가열된 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스는 반응기 시스템 유출구로 인도된다.
촉매 활성 물질과 전기 전도성 물질 사이의 근접성은 저항 가열된 전기 전도성 물질로부터의 근접한 열 전도에 의해 촉매 활성 물질의 효과적인 가열을 가능하게 한다. 저항 가열 과정의 중요한 특징은 열 전도, 대류 및 복사를 통해 외부 열원으로부터 에너지가 공급되는 대신에 물체 자체 내부에서 에너지가 공급된다는 것이다. 또한, 반응기 시스템은 가장 고온인 부분은 반응기 시스템의 압력 쉘 내에 있을 것이다. 바람직하게, 전기 전원 및 구조화된 촉매는 구조화된 촉매의 적어도 일부가 적어도 300℃, 바람직하게 적어도 700℃의 온도에 도달하도록 하는 치수를 가진다. 전기 전도성 물질의 표면적, 세라믹 코팅으로 코팅된 전기 전도성 물질의 비율, 세라믹 코팅의 종류 및 구조, 및 촉매 활성 촉매 물질의 양 및 조성은 주어진 작동 조건에서 특정한 반응에 맞게 재단될 수 있다.
전기 전도성 물질은 적합하게 거시적 구조이다. 본원에서 사용된 용어 "거시적 구조"는 확대 장치 없이 육안으로 볼 수 있는 충분한 크기의 구조를 의미한다. 거시적 구조의 치수는 전형적으로 센티미터 또는 심지어 미터의 범위이다. 거시적 구조의 치수는 유익하게 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘의 내부 치수에 적어도 부분적으로 상응하도록 되며, 이로써 단열층과 전도체를 위한 공간이 절약된다. 2m 또는 5m와 같은, 외부 치수 중 적어도 하나가 미터 범위를 갖는 거시적 구조의 어레이를 제공하기 위해 둘 이상의 거시적 구조가 연결될 수 있다. 이러한 둘 이상의 거시적 구조는 "거시적 구조의 어레이"로 표시될 수 있다. 이 경우, 거시적 구조의 어레이의 치수는 유익하게 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘의 내부 치수에 적어도 부분적으로 상응하도록 된다(단열층을 위한 공간 절약). 거시적 구조의 고려가능한 어레이는 0.1 내지 10m3 또는 훨씬 더 큰 부피를 가질 수 있다. 구조화된 촉매는 단일 거시적 구조 또는 거시적 구조의 어레이를 포함할 수 있고, 거시적 구조(들)는 촉매 활성 물질을 담지하는 세라믹 코팅을 담지한다. 거시적 구조의 어레이에서, 거시적 구조는 서로 전기적으로 연결될 수 있다; 그러나, 대안으로서, 거시적 구조는 서로 전기적으로 연결되지 않는다. 따라서, 구조화된 촉매는 서로 인접하여 위치된 둘 이상의 거시적 구조를 포함할 수 있다. 거시적 구조(들)는 압출 및 소결된 구조 또는 3D 프린트된 구조일 수 있다. 3D 프린트된 거시적 구조는 후속 소결을 거칠 수 있거나 아닐 수 있다.
거시적 구조의 물리적 치수는 임의의 적절한 치수일 수 있다; 따라서, 높이가 거시적 구조의 너비보다 적을 수 있거나 또는 반대일 수 있다.
거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하고, 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지한다. 용어 "세라믹 코팅을 담지하는 거시적 구조"는 거시적 구조가 거시적 구조의 표면의 적어도 일부에서 세라믹 코팅에 의해 코팅된 것을 의미한다. 따라서, 이 용어는 거시적 구조의 모든 표면이 세라믹 코팅에 의해 코팅된 것을 의미하지는 않는다; 특히, 적어도 전도체에 전기적으로 연결된 거시적 구조의 부분은 코팅을 갖지 않는다. 코팅은 구조에 기공이 있는 세라믹 물질이며, 이것은 코팅 위와 내부에 촉매 활성 물질을 담지하는 것을 허용한다. 유익하게, 촉매 활성 물질은 약 2nm 내지 약 250nm 범위의 크기를 가진 촉매 활성 입자를 포함한다. 바람직하게, 거시적 구조는 분말화된 금속 입자와 바인더의 혼합물을 압출된 구조로 압출하고, 이어서 압출된 구조를 소결함으로써 제작되었으며, 이로써 부피당 높은 기하 표면적을 가진 물질이 제공된다. 바람직하게, 압출된 구조는 거시적 구조를 제공하기 위해 환원 분위기에서 소결된다. 대안으로서, 거시적 구조는 금속 첨가 제조 용융 과정, 즉 3D 프린팅 과정에서 3D 프린트되며, 이것은 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 과정과 같이 후속 소결을 필요로 하지 않는다. 이러한 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 과정의 예들은 레이저 빔, 전자 빔 또는 플라즈마 3D 프린팅 과정이다. 다른 대안으로서, 거시적 구조는 바인더-기반 금속 첨가 제조 과정 및 제1 온도 T1에서 비-산화 분위기에서의 후속 소결에 의해 3D 금속 구조로서 제조될 수 있었으며, 여기서 T1 > 1000℃이고, 이로써 거시적 구조가 제공된다.
촉매 활성 물질을 함유할 수 있는 세라믹 코팅이 거시적 구조 위에 제공되며, 이후 산화 분위기에서 2차 소결이 수행되고, 이로써 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학적 결합이 형성된다. 대안으로서, 촉매 활성 물질은 2차 소결 후 세라믹 코팅 위에 함침될 수 있다. 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학적 결합이 형성된 경우, 전기 가열된 거시적 구조와 세라믹 코팅에 의해 담지된 촉매 활성 물질 사이에 특히 높은 열 전도성이 가능하며, 이것은 열원과 구조화된 촉매의 촉매 활성 물질 사이에 가까운 거의 직접적인 접촉을 제공한다. 열원과 촉매 활성 물질 사이의 근접성으로 인해 열 전달이 효과적이며, 이로써 구조화된 촉매가 매우 효과적으로 가열될 수 있다. 따라서, 반응기 시스템 부피당 가스 처리의 측면에서 컴팩트한 반응기 시스템이 가능하고, 따라서 구조화된 촉매를 수용하는 반응기 시스템이 컴팩트해질 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "3D 프린트" 또는 "3D 프린팅"은 금속 첨가 제조 과정을 의미한다. 이러한 금속 첨가 제조 과정은 3차원 물체를 생성하기 위해 컴퓨터 제어하에 물질이 구조로 연결되는 3D 프린팅 과정들을 포함하며, 이때 구조는, 예를 들어 소결에 의해 고화되어야 하고, 이로써 거시적 구조가 제공된다. 또한, 이러한 금속 첨가 제조 과정은 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 과정과 같은 후속 소결이 필요하지 않은 3D 프린팅 과정을 포함한다. 이러한 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 과정의 예들은 레이저 빔, 전자 빔 또는 플라즈마 3D 프린팅 과정이다.
반응기 시스템은 노를 필요로 하지 않으며, 이것은 전체 반응기 크기를 상당히 감소시킨다.
전기 전도성 물질은 Fe, Ni, Cu, Co, Cr, Al, Si 또는 이들의 합금을 포함한다. 이러한 합금은 Mn, Y, Zr, C, Co, Mo 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 전기 전도성 물질은 Fe, Cr, Al 또는 이들의 합금을 포함한다. 이러한 합금은 Si, Mn, Y, Zr, C, Co, Mo 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 촉매 활성 물질은 2nm 내지 250nm의 크기를 가진 입자이다. 바람직하게, 전도체 및 전기 전도성 물질은 전기 전도성 물질과 상이한 물질로 이루어진다. 전도체는, 예를 들어 철, 니켈, 알루미늄, 구리, 은 또는 이들의 합금일 수 있다. 세라믹 코팅은 전기 절연 물질이고, 전형적으로 약 100μm, 즉 10-500μm 범위의 두께를 가질 것이다.
전기 전도성 물질은 유익하게 응집성 또는 일정하게 내부-연결된 물질이며, 이로써 전기 전도성 물질 전체적으로 전기 전도성이 달성되고, 이로써 구조화된 촉매 전체적으로 열 전도성이 달성되며, 특히 촉매 물질의 가열이 제공된다. 응집성 또는 일정하게 내부-연결된 물질에 의해, 전기 전도성 물질 내에서 전류의 균일한 분포 및 구조화된 촉매 내에서 열의 균일한 분포를 보장하는 것이 가능하다. 본 명세서 전체에서, 용어 "응집성"은 밀착성과 동의어이며, 일정하게 내부-연결된 또는 일정하게 결합된 물질을 말한다. 구조화된 촉매가 응집성 또는 일정하게 내부-연결된 물질인 것의 효과는 구조화된 촉매의 물질 내에서 연결성 및 전기 전도성 물질의 전도성에 대한 제어가 얻어진다는 것이다. 전기 전도성 물질의 일부에 슬릿의 제공 또는 전기 전도성 물질 내에 절연 물질의 제공 등 전기 전도성 물질의 추가의 변형이 수행된다 할지라고, 전기 전도성 물질은 여전히 응집성 또는 일정하게 내부-연결된 물질로 표시된다.
구조화된 촉매를 거치는 가스 흐름은 구조화된 촉매를 통한 전류 경로와 축 또는 동축 흐름일 수 있거나, 전류 경로에 수직일 수 있거나, 또는 전류 경로와 관련하여 임의의 다른 적절한 방향을 가질 수 있다.
암모니아 크래킹 반응은 고도로 흡열이다. 원료에서 암모니아의 허용가능한 전환율에 도달하기 위해 전형적으로 600-700℃을 초과하는 고온이 필요하다.
암모니아 크래킹 반응에 대한 공급원료는 바람직하게 실질적으로 순수한 암모니아 스트림이다.
용어 "전기 전도성"은 20℃에서 10-5 내지 10-8 Ω·m의 범위의 전기 저항률을 가진 물질을 의미한다. 따라서, 전기 전도성인 물질은, 예를 들어 구리, 은, 알루미늄, 크롬, 철, 니켈, 또는 금속 합금과 같은 금속이다. 또한, 용어 "전기 절연성"은 20℃에서 10 Ω·m 이상, 예를 들어 20℃에서 109 내지 1025 Ω·m의 범위의 전기 저항률을 가진 물질을 의미한다.
반응기 시스템이 구조화된 촉매와 압력 쉘 사이의 단열층을 포함하는 경우, 구조화된 촉매와 압력 쉘 사이의 적절한 단열 및 전기 절연이 얻어진다. 압력 쉘과 구조화된 촉매 사이에 단열층의 존재는 압력 쉘의 과도한 과열을 방지하는데 도움이 되고, 주변으로의 열 손실을 감소시키는데 도움이 된다. 구조화된 촉매의 온도는 적어도 그것의 일부 부분에서 최대 약 1300℃에 도달할 수 있지만, 구조화된 촉매와 압력 쉘 사이에 단열층을 사용함으로써, 압력 쉘의 온도는 500℃ 또는 심지어 100℃의 상당히 더 낮은 온도로 유지될 수 있으며, 이것은 전형적인 구성인 스틸 재료가 전형적으로 1000℃를 넘는 온도에서는 압력을 견디는 용도에 부적합하기 때문에 유익하다. 또한, 압력 쉘과 구조화된 촉매 사이의 단열층은 반응기 시스템 내에서 전기 전류의 제어를 보조하는데, 단열층은 또한 전기 절연성이기 때문이다. 단열층은 세라믹, 비활성 물질, 섬유 물질, 벽돌과 같은 고체 물질의 하나 이상의 층 또는 가스 장벽 또는 이들의 조합힐 수 있다. 따라서, 퍼지 가스 또는 국한된 가스가 단열층의 일부를 구성하거나 형성하는 것이 또한 고려된다.
또한, 용어 "단열 물질"은 약 10 W·m-1·K-1 이하의 열 전도도를 가진 물질을 의미한다는 것이 주지되어야 한다. 단열 물질의 예들은 세라믹, 벽돌, 알루미나 기반 물질, 지르코니아 기반 물질 및 유사한 물질이다.
유익하게, 구조화된 촉매, 단열층, 압력 쉘, 및/또는 반응기 시스템 내부의 다른 구성요소들 사이의 임의의 관련된 틈은, 예를 들어 비활성 펠릿 형태의 비활성 물질로 채워진다. 이러한 틈은, 예를 들어 구조화된 촉매의 하부 측과 압력 쉘의 바닥 사이의 틈 및 구조화된 촉매의 측면과 압력 쉘의 내측을 커버하는 절연층 사이의 틈이다. 비활성 물질은, 예를 들어 펠릿 또는 타일 형태의 세라믹 물질일 수 있다. 비활성 물질은 반응기 시스템을 통한 가스 분포의 제어 및 구조화된 촉매를 통한 가스의 유동의 제어를 보조한다. 또한, 비활성 물질은 전형적으로 단열 효과를 가진다.
압력 쉘은 적합하게 2 bar 내지 30 bar의 설계 압력을 가진다. 실제 작동 압력은 특히 흡열 반응, 플랜트의 크기에 의해 결정될 것이다. 반응기 시스템의 가장 고온인 부분은 반응기 시스템의 압력 쉘 내에서 단열층으로 둘러싸여 있는 전기 전도성 물질이므로, 압력 쉘은 온도는 최대 공정 온도보다 상당히 낮게 유지될 수 있다. 이것은 구조화된 촉매 상에서 최대 공정 온도가 400℃, 또는 바람직하게 700℃, 심지어 1100℃, 또는 심지어 최대 1300℃인 것이 가능하지만, 압력 쉘은, 예를 들어 500℃ 또는 300℃ 또는 바람직하게 200℃ 또는 100℃의 압력 쉘의 상대적으로 낮은 설계 온도를 갖는 것을 허용한다. 재료 강도는 이들 온도 중 더 낮은 온도에서 더 높다(상기 나타낸 대로 압력 쉘의 설계 온도에 상응하는). 이것은 화학 반응기를 설계할 때 이점이 된다. 적합하게, 압력 쉘은 2 bar 내지 30 bar, 또는 30 내지 200 bar의 설계 압력을 가진다. 공정 경제성과 열역학적 한계 사이의 절충을 위해 약 30 bar가 바람직하다.
전기 전도성 물질의 저항률은 적합하게 10-5 Ω·m 내지 10-7 Ω·m이다. 이 범위 내의 저항률을 가진 물질은 전원에 의해 에너지가 제공되었을 때 구조화된 촉매의 효과적인 가열을 제공한다. 흑연은 20℃에서 약 10-5 Ω·m의 저항률을 가지고, 칸탈은 20℃에서 약 10-6 Ω·m의 저항률을 가지며, 스테인리스 스틸은 20℃에서 약 10-7 Ω·m의 저항률을 가진다. 전기 전도성 물질은, 예를 들어 20℃에서 약 1.5 x 10-6 Ω·m의 저항률을 가진 FeCrAlloy로 이루어질 수 있다.
전형적으로, 압력 쉘은 공정 가스를 유입시키기 위한 유입구 및 생성물 가스를 유출시키기 위한 유출구를 포함하며, 유입구는 압력 쉘의 제1 단부에 가까이 위치되고, 유출구는 압력 쉘의 제2 단부에 가까이 위치되며, 적어도 2개의 전도체는 유출구보다 유입구에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결된다. 이로써 적어도 2개의 전도체는 유입 가스가 생성물 가스보다 더 낮은 온도를 가짐에 따라 반응기 시스템의 실질적으로 더 차가운 부분에 위치될 수 있고, 전기 전도성 물질은 화학 반응의 진행에 의해 소비된 열로 인해 이 물질의 가장 상류 부분에서 더 차가워질 것이며, 유입구를 통해서 공급된 원료 가스는 가열된 구조화된 촉매를 지나는 가스의 경로를 따라 가열된 구조화된 촉매에 의해 가열되기 전에 적어도 2개의 전도체를 냉각시킬 수 있다. 전도체와 구조화된 촉매 사이의 연결을 보호하기 위해 전기 전도성 물질을 제외한 모든 전기 전도 요소의 온도가 낮게 유지되는 것이 유익하다. 전도체 및 전기 전도성 물질을 제외한 다른 전기 전도 요소의 온도가 상대적으로 낮을 때, 전도체 및 전기 전도성 물질을 제외한 다른 전기 전도 요소에 적합한 물질에 대한 제한이 적어진다. 전기 전도 요소의 온도가 증가함에 따라 이들의 저항율도 증가한다; 따라서, 반응기 시스템 내에서 전기 전도성 물질 이외의 모든 다른 부분의 불필요한 가열을 피하는 것이 바람직하다.
용어 "전기 전도성 물질을 제외한 전기 전도 요소"는 전기 전도성인 구조화된 촉매 자체를 제외한, 전원을 구조화된 촉매에 연결하도록 배열된 관련된 전기 전도 요소들을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명의 시스템은 임의의 적절한 수의 전원 및 전원/전원들과 구조화된 촉매의 전기 전도성 물질(들)을 연결하는 임의의 적절한 수의 전도체를 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
적합하게, 적어도 2개의 전도체는 피팅부(fitting)에서 압력 쉘을 관통해서 이어지며, 이로써 적어도 2개의 전도체는 압력 쉘로부터 전기적으로 절연된다. 피팅부는 부분적으로 플라스틱 및/또는 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 용어 "피팅부"는 압력을 견디는 구성형태로 2개의 하드웨어의 기계적 연결을 허용하는 장치를 의미한다. 이로써, 압력 쉘 내의 압력은 적어도 2개의 전도체가 그것을 관통해서 이어진다 하더라도 유지될 수 있다. 피팅부의 비제한적 예들은 전기 절연 피팅부, 유전체 피팅부, 힘 압축 시일, 압축 피팅부 또는 플랜지일 수 있다. 압력 쉘은 전형적으로 측벽, 단부벽, 플랜지 및 가능한 추가의 부품들을 포함한다. 용어 "압력 쉘"은 이들 구성요소들을 모두 포함하는 것을 의미한다.
압력 쉘은 피팅부 중 적어도 하나의 가까이에 또는 조합하여 하나 이상의 유입구를 더 포함할 수 있으며, 이로써 냉각 가스가 상기 압력 쉘 내에서 적어도 하나의 전도체를 거쳐서, 주변에서, 가까이에서 또는 내부에서 유동하는 것을 허용한다. 이로써 전도체가 냉각되고, 피팃 부품이 경험하는 온도가 낮게 유지된다. 냉각 가스가 사용되지 않는다면, 전도체는 반응기 시스템으로의 원료 가스, 인가된 전류로 인한 전도체의 저항 가열, 및/또는 구조화된 촉매로부터의 열 전도에 의해 가열될 수 있다. 냉각 가스는, 예를 들어 수소, 아르곤, 질소, 암모니아 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 압력 쉘로 진입시 냉각 가스의 온도는, 예를 들어 약 50℃ 또는 200℃ 또는 250℃일 수 있다. 한 실시형태에서, 전도체(들)는 중공이며, 이로써 냉각 가스는 전도체(들)를 통해서 유동하고 내부로부터 그것(그것들)을 냉각할 수 있다. 피팅부의 온도를 낮게, 예를 들어 약 100-200℃로 유지함으로써, 누출 방지 구성형태를 취하는 것이 더 용이하다. 전형적으로, 원료 가스의 일부, 예컨대 반응물 중 하나가 냉각 가스로서 압력 쉘에 공급된다. 다른 실시형태에서, 원료 가스의 일부 또는 원료 가스와 동일한 조성을 가진 가스가 냉각 가스로 사용된다.
반응기 시스템은 구조화된 촉매와 열 교환 관계에 있는 내부 관을 더 포함할 수 있고, 내부 관은 구조화된 촉매로부터 생성물 가스를 인출하도록 적합하게 되며, 이로써 내부 관 또는 관들을 통해 유동하는 생성물 가스는 구조화된 촉매와 전기적으로 분리된 상태에서 구조화된 촉매를 거쳐서 유동하는 가스와 열 교환 관계에 있다. 이것은 바요넷 반응기 시스템으로 표시되는 레이아웃이다. 이 레이아웃에서, 내부 관 내의 생성물 가스는 구조화된 촉매를 거쳐서 유동하는 공정 가스의 가열을 보조한다. 내부 관과 구조화된 촉매 사이의 전기 절연은 내부 관과 구조화된 촉매 사이의 틈 또는 거리의 형태의 가스일 수 있거나 또는 내부 관과 구조화된 촉매 주변에 로딩된 비활성 물질일 수 있다. 가스는 상향류 또는 하향류 방향으로 구조화된 촉매를 통과할 수 있다.
구조화된 촉매와 적어도 2개의 전도체 사이의 연결은 기계적 연결, 용접 연결, 경납땜 연결 또는 이들의 조합일 수 있다. 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질과 적어도 2개의 전도체 사이의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 구조화된 촉매와 물리적으로 그리고 전기적으로 연결된 단자를 포함할 수 있다.
용어 "기계적 연결"은, 예를 들어 나사산 연결 또는 클램핑에 의해 2개의 구성요소가 기계적으로 함께 유지됨으로써 전류가 구성요소들 사이에서 흐를 수 있는 연결을 의미한다.
전기 전도성 물질의 어레이에 위치된 전기 전도성 물질은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 둘 이상의 전기 전도성 물질 사이의 연결은 기계적 연결, 클램핑, 납땜, 용접 또는 이들 연결 방법의 임의의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 각각의 전기 전도성 물질은 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 단자를 포함할 수 있다. 둘 이상의 전기 전도성 물질은 직렬 또는 병렬 연결로 전원에 연결될 수 있다. 둘 이상의 전기 전도성 물질 사이의 전기적 연결은 유익하게 둘 이상의 전기 전도성 물질 사이의 연결 표면을 따라 응집성이며 균일하고, 이로써 둘 이상의 전기 전도성 물질은 단일 응집체 또는 일정하게 내부-연결된 물질로서 작용한다; 이로써 둘 이상의 전기 전도성 물질 전체적으로 균일한 전기 전도도가 용이해진다. 대안으로서, 또는 추가로, 구조화된 촉매는 서로 전기적으로 연결되지 않은 전기 전도성 물질의 어레이를 포함할 수 있다. 대신, 둘 이상의 전기 전도성 물질은 서로 전기적으로 연결되지 않은 상태에서 압력 쉘 내에 함께 위치된다. 이 경우, 구조화된 촉매는 전원과 병렬 연결된 전기 전도성 물질을 포함한다.
촉매 활성 물질을 가진 또는 갖지 않는 세라믹 코팅이 워시 코팅에 의해 전기 전도성 물질의 금속 표면에 직접 첨가될 수 있다. 금속 표면의 워시 코팅은 잘 알려진 과정이다; 예를 들어 Cybulski, A., and Moulijn, J. A.," Structured catalysts and reactors", Marcel Dekker, Inc, New York, 1998, Chapter 3, 및 참고문헌들에 설명된다.
세라믹 코트는 전기 전도성 물질의 표면에 첨가될 수 있고, 이어서 촉매 활성 물질이 첨가될 수 있다; 대안으로서, 촉매 활성 물질을 포함하는 세라믹 코트가 거시적 구조 또는 전기 전도성 물질에 첨가된다. 세라믹 코팅은, 예를 들어 Al, Zr, Mg, Ce 및/또는 Ca를 포함하는 산화물일 수 있다. 예시적인 코팅은 칼슘 알루미네이트 또는 마그네슘 알루미늄 스피넬이다. 이러한 세라믹 코팅은 La, Y, Ti, K 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 세라믹 코팅은 전기 절연 물질이며, 전형적으로 약 100μm, 즉 10-500μm의 범위의 두께를 가질 것이다.
거시적 구조의 압출 및 소결 또는 3D 프린팅은 균일하며 응집성으로 성형된 거시적 구조를 가져오고, 이것은 이후 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다.
전기 전도성 물질 및 세라믹 코팅은 세라믹 코팅과 전기 전도성 물질 사이에 화학 결합을 형성하기 위해 산화 분위기에서 소결될 수 있다; 이것은 전기 전도성 물질과 세라믹 코팅에 의해 담지된 촉매 활성 물질 사이에 특히 높은 열 전도성을 제공한다. 이로써, 구조화된 촉매는 활성 촉매 부위로의 열 전달 측면에서 컴팩트하며, 구조화된 촉매를 수용하는 반응기 시스템은 컴팩트해질 수 있고, 주로 화학 반응 속도에 의해 제한될 수 있다.
한 실시형태에서, 구조화된 촉매는 구조화된 촉매의 최대 치수보다 더 긴 길이로 전도체 사이의 전류 경로를 증가시키도록 배열된 적어도 하나의 전기 절연부를 가진다. 구조화된 촉매의 최대 치수보다 더 긴 전도체 사이의 전류 경로의 제공은 전도체 사이에 위치된 전기 절연부(들)의 제공 및 구조화된 촉매의 일부 부분을 통한 전류 흐름의 방지에 의한 것일 수 있다. 이러한 전기 절연부는 전류 경로를 증가시키고 구조화된 촉매를 통한 저항을 증가시키도록 배열된다. 이로써 구조화된 촉매를 통한 전류 경로는, 예를 들어 구조화된 촉매의 최대 치수보다 50%, 100%, 200%, 1000%, 또는 심지어 10000% 이상 더 길 수 있다.
또한, 이러한 전기 절연부는 제2 단부보다 구조화된 촉매의 제1 단부에 더 가까이 있는 하나의 전도체로부터 구조화된 촉매의 제2 단부를 향해서 전류를 보내고, 제2 단부보다 구조화된 촉매의 제1 단부에 더 가까이 있는 제2 전도체로 다시 보내도록 배열된다. 바람직하게, 전류는 구조화된 촉매의 제1 단부로부터 제2 단부로 흐르고 다시 제1 단부로 흐르도록 배열된다. 도면에서 보이는 대로, 구조화된 촉매의 제1 단부는 그것의 상단부이다. 도 5-7에서 "z"로 표시된 화살표는 구조화된 촉매의 길이를 따른 z-축을 표시한다. 구조화된 촉매 전체에서 주 전류 경로는 전류 경로의 길이 대부분을 따라 수반된 전류 밀도 벡터의 z-좌표의 양 또는 음의 값을 가질 것이다. 주 전류 경로는 최대 전류 밀도에서 구조화된 촉매의 거시적 구조를 통한 전자의 경로를 의미한다. 주 전류 경로는 또한 구조화된 촉매의 거시적 구조를 통한 최소 길이를 가진 경로로서 이해될 수 있다. 기하적으로 봤을 때, 주 전류 경로는 거시적 구조의 응집 구역의 가스 유동 방향에 수직인 평면 내에서 최대 전류 밀도 벡터로서 정량화될 수 있다. 도면에 도시된 대로, 구조화된 촉매의 저면에서 전류는 방향을 바꿀 것이고, 수반된 전류 밀도 벡터의 z-좌표는 0이 될 것이다.
본원에 사용된 용어 응집 구역은 응집 구역의 모든 벽이 동일한 평면 내에서 응집 구역의 하나 이상의 다른 벽과 기하적으로 연결된 거시적 구조의 단면 영역을 의미한다.
한 실시형태에서, 구조화된 촉매는 구조화된 촉매를 통해서 전류를 보내도록 배열된 적어도 하나의 전기 절연부를 가지며, 이로써 상기 구조화된 촉매 길이의 적어도 70%에서 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행인 비-제로 성분 값을 가지는 것을 보장한다. 따라서, 구조화된 촉매 길이의 적어도 70%에서, 전류 밀도 벡터는 구조화된 촉매의 길이에 평행한 양 또는 음의 성분 값을 가질 것이다. 따라서, 구조화된 촉매 길이의 적어도 70%, 예를 들어 90% 또는 95%에서, 즉 도 5 내지 10에서 봤을 때 구조화된 촉매의 z-축을 따라서, 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터는 z-축을 따라 양 또는 음의 값을 가질 것이다. 이것은 구조화된 촉매의 제1 단부로부터 제2 단부를 향해서 전류를 보내고, 이어서 다시 제1 단부를 전류를 보내는 것을 의미한다.
구조화된 촉매의 제1 단부로 들어가는 가스의 온도 및 구조화된 촉매에서 일어나는 흡열 암모니아 크래킹 반응은 구조화된 촉매로부터 열을 흡수한다. 이러한 이유 때문에, 구조화된 촉매의 제1 단부는 제2 단부보다 차갑게 유지되고, 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 갖도록 보장함으로써, 실질적으로 연속적으로 증가하는 온도 프로파일이 생성되고, 이것은 제어가능한 반응 프론트를 제공한다. 한 실시형태에서, 전류 밀도 벡터는 상기 구조화된 촉매 길이의 70%에서, 바람직하게 80%, 더 바람직하게 90%, 및 더욱 더 바람직하게 95%에서 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 가진다.
용어 "구조화된 촉매의 길이"는 가스 유동 방향에서 구조화된 촉매의 치수를 의미한다는 것이 주지되어야 한다. 도면에 도시된 대로, 구조화된 촉매에서 길이는 종 방향, 즉 그것의 최장 치수이다. 이것은 도면 일부에서 z로 표시된 화살표에 의해 표시된다.
절연부의 비제한적 예들은 구조에 있는 절단부, 슬릿, 또는 구멍이다. 선택적으로, 구조에 있는 절단부 또는 슬릿에 세라믹과 같은 고체 절연 물질이 사용될 수 있다. 고체 절연 물질이 다공성 세라믹 물질인 경우, 촉매 활성 물질은 유익하게, 예를 들어 함침에 의해 기공에 포함될 수 있다. 절단부 또는 슬릿 내의 고체 절연 물질은 절단부 또는 슬릿의 측면에서 구조화된 촉매의 이 부분을 서로로부터 유지하는 것을 보조한다.
본원에서 사용된 용어 "구조화된 촉매의 최대 치수"는 구조화된 촉매에 의해 취해진 기하구조 형태의 최대 내부 치수를 의미한다. 구조화된 촉매가 상자 형태이면, 최대 치수는 하나의 모서리로부터 가장 먼 모서리까지 대각선일 수 있고, 이것은 또한 공간 대각선으로 표시된다.
구조화된 촉매를 통한 전류가 전류 경로를 증가시키도록 배열된 전기 절연부로 인해 구조화된 촉매를 통해서 그것의 길을 꼬아서 또는 감아서 배열될 수 있다 하더라도, 반응기 시스템을 통과하는 가스는 반응기 시스템의 하나의 단부에서 유입되고, 일단 구조화된 촉매를 지난 후, 반응기 시스템으로부터 유출된다는 것이 주지되어야 한다. 반응기 시스템 내에서 가스가 구조화된 촉매 및 촉매 물질을 지나도록 보장하기 위해 구조화된 촉매와 반응기 시스템의 나머지 부분 사이의 관련된 틈에 비활성 물질이 유익하게 존재한다.
구조화된 촉매를 통한 가스 통로의 길이는 적합하게 하나의 전극으로부터 구조화된 촉매를 통해서 다음 번 전극까지의 전류 통로의 길이보다 작다. 가스 통로의 길이 대 전류 통로의 길이의 비는 0.6, 또는 0.3, 0.1, 또는 심지어 0.002 미만일 수 있다.
전형적으로, 구조화된 촉매는 구조화된 촉매를 통한 전류 경로를 지그재그 경로로 만들도록 배열된 전기 절연부를 가진다. 여기서 용어 "지그재그 경로" 및 "지그재그 루트"는 하나의 전도체로부터 다른 전도체까지 추적하는 다양한 각도의 모서리를 가진 경로를 의미한다. 지그재그 경로는, 예를 들어 위쪽으로 향하고 선회한 다음 아래쪽으로 향하는 경로이다. 지그재그 경로는 많은 선회부를 가질 수 있으며, 구조화된 촉매를 통해서 여러 번 위쪽으로 향한 다음 아래쪽으로 향할 수 있고, 한 번의 선회도 지그재그 경로를 만들기에 충분하다.
전류 경로를 증가시키도록 배열된 절연부는 반드시 전기 전도성 물질 상의 세라믹 코팅과 관련되지는 않는다는 것이 주지되어야 한다; 이 세라믹 코팅도 전기 절연성이라고 간주되지만, 그것은 전기 전도성 물질에 연결된 전도체들 사이의 전류 경로의 길이를 변화시키지 않는다.
거시적 구조는 복수의 평행한 채널, 복수의 비-평행 채널 및/또는 복수의 미로형 채널을 가질 수 있으며, 여기서 채널은 채널을 한정하는 벽을 가진다. 이로써, 가스에 노출된 구조화된 촉매의 표면적이 가능한 크다면 거시적 구조의 몇 가지 상이한 형태가 사용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 거시적 구조는 평행한 채널을 가지며, 이러한 평행한 채널은 매우 작은 압력 강하를 가진 구조화된 채널을 만든다. 바람직한 실시형태에서, 평행한 길이방향 채널은 거시적 구조의 종 방향으로 비스듬히 기울어진다. 이 방식에서, 거시적 구조를 통해서 유동하는 가스의 분자들은 벽과 접촉하지 않고 채널을 통해서 직선으로 유동하는 대신 대부분 채널 내부에서 벽에 충돌할 것이다. 채널의 치수는 거시적 구조에 충분한 저항률을 제공하기에 적절해야 한다. 예를 들어, 채널은 정사각형일 수 있고(채널에 수직인 단면에서 봤을 때), 1 내지 3mm의 정사각형의 측면 길이를 가질 수 있다; 그러나, 최대 약 4cm의 단면 최대 범위를 가진 채널도 고려된다. 벽은, 예를 들어 0.2 내지 2mm, 예컨대 약 0.5mm의 두께를 가질 수 있고, 벽에 의해 담지된 세라믹 코팅은 10μm 내지 500μm, 예컨대 50μm 내지 200μm, 예컨대 100μm의 두께를 가진다. 다른 실시형태에서, 구조화된 촉매의 거시적 구조는 교차-파형이다.
일반적으로, 거시적 구조가 압출되거나 3D 프린트되었을 때, 반응기 시스템의 유입구에서 유출구까지 압력 강하가 촉매 물질이 펠릿 형태인 반응기와 비교하여 상당히 감소될 수 있다.
적합하게, 반응기 시스템은 압력 쉘 내에서 구조화된 촉매의 상류에 제2 촉매 물질의 층을 더 포함한다. 여기서 용어 "상류"는 원료 가스의 유동 방향으로부터 본 것이다. 따라서, 용어 "상류"는 여기서 원료 가스가 구조화된 촉매에 도달하기 전에 제2 촉매 물질의 층으로 보내진다는 것을 의미한다. 이것은 제2 촉매 물질이 원료 스트림을 사전 컨디셔닝하도록 배열될 수 있는 상황을 제공한다. 제2 촉매 물질의 층에는 특별한 가열이 제공될 필요는 없다; 그러나, 제2 촉매 물질의 층은 그것이 구조화된 촉매에 근접해 있다면 간접적으로 가열될 수 있다. 대안으로서, 제2 촉매 물질은 가열될 수 있다. 본원에 사용된 용어를 명확히 하기 위해, 용어 "구조화된 촉매"는 제2 및/또는 제3 및/또는 제4 촉매 물질과 구별하기 위해 "제1 촉매 물질"로 또한 표시될 수 있다는 것이 주지된다.
반응기 시스템은 거시적 구조의 채널에 로딩된 촉매 펠릿, 압출물 또는 과립 형태의 제3 촉매 물질을 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 반응기 시스템은 거시적 구조의 코팅에 촉매 활성 물질을 가질 것이고, 또한 거시적 구조의 채널 내에 촉매 펠릿, 압출물 또는 과립의 형태로 제3 촉매 물질을 가질 것이다. 펠릿은, 예를 들어 채널의 크기와 느슨하게 일치하는 치수로 제조되며, 이로써 거시적 구조의 채널 내에서 서로 적층된 펠릿의 단일 열을 형성한다. 대안으로서, 펠릿, 압출물 또는 과립은 각 채널 내에서 충진층을 형성하도록 채널 크기보다 유의하게 더 작은 치수로 제조될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "펠릿"은 밀리미터 또는 센티미터 범위의 최대 외부 치수를 가진 임의의 잘 한정된 구조를 의미하고, "압출물" 및 "과립"은 범위 내에서 한정된 최대 외부 치수를 가진 촉매 물질을 의미한다.
제4 촉매 물질의 층이 압력 쉘 내에서 구조화된 촉매의 하류에 위치될 수 있다. 이러한 제4 촉매 물질은 촉매 펠릿, 압출물 또는 과립의 형태일 수 있다.
따라서, 제1, 제2, 제3 및 제4 촉매 물질은 암모니아 크래킹 반응에 적합한 촉매 물질일 수 있다. 한 실시형태에서, 이 촉매는 Ru/MgAl2O3이다. 다른 실시형태에서, 이것은 다공성 FeCO이다. 제2, 제3, 및 제4 촉매 물질의 조합이 반응기 시스템에 포함되는 구성형태에서, 각 촉매 물질의 촉매는 상이할 수 있다.
거시적 구조의 기하 표면적은 100 내지 3000 m2/m3, 예컨대 500 내지 1100 m2/m3일 수 있다. 전형적으로, 거시적 구조의 물질은 물질의 저항 가열에 의해 500 W/m2 내지 50000 W/m2의 열 유속을 공급하도록 배열된 물질로서 선택된다. 바람직하게, 물질의 저항 가열은 5 kW/m2 내지 12 kW/m2, 예를 들어 8 kW/m2 내지 10 kW/m2의 열 유속을 공급한다. 열 유속은 가스에 노출된 표면의 기하 표면적 당 열로서 주어진다.
한 실시형태에서, 구조화된 촉매는 제1 열 유속을 생성하도록 배열된 제1 부분 및 제2 열 유속을 생성하도록 배열된 제2 부분을 포함하며, 제1 열 유속은 제2 열 유속보다 낮고, 제1 부분은 제2 부분의 상류에 있다. 여기서 용어 "제1 부분은 제2 부분의 상류에 있다"는 반응기 시스템에 공급된 가스가 제1 부분에 도달한 다음 제2 부분에 도달한다는 것을 의미한다. 구조화된 촉매의 제1 부분 및 제2 부분은 촉매 활성 물질을 담지하는 세라믹 코팅을 담지하는 두 상이한 거시적 구조일 수 있고, 두 상이한 거시적 구조는 주어진 전기 전류 및 전압에서 상이한 열 유속을 생성하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 구조화된 촉매의 제1 부분은 큰 표면적을 가질 수 있고, 구조화된 촉매의 제2 부분은 더 작은 표면적을 가진다. 이것은 제1 부분의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제2 부분에 구조화된 촉매를 제공함으로써 달성될 수 있다. 대안으로서, 구조화된 촉매의 제1 부분을 통한 전류 경로는 구조화된 촉매의 제2 부분을 통한 전류 경로보다 더 직선일 수 있으며, 이로써 구조화된 촉매의 제1 부분을 통한 것보다 제2 부분을 통해서 전류가 더 꼬이고 감기며, 이로써 제1 부분보다 구조화된 촉매의 제2 부분에서 전류가 더 많은 열을 생성한다. 앞서 언급된 대로, 거시적 구조에 있는 슬릿 또는 절단부는 거시적 구조를 통한 전류 경로를 지그재그로 만들 수 있다. 구조화된 촉매의 제1 및 제2 부분은 상이한 전기 전류 및 전압을 경험할 수 있고, 이로써 상이한 열 유속을 공급할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 그러나, 제1 및 제2 부분의 상이한 열 유속은 또한 상기 나타낸 대로 제1 및 제2 부분의 상이한 물리적 특성으로 인해 제1 및 제2 부분을 통해서/거쳐서 동일한 전기 전류 및 전압을 공급함으로써 달성될 수도 있다. 추가의 실시형태에서, 구조화된 촉매는 제3 열 유속을 생성하도록 배열된 제3 부분을 포함하며, 제3 열 유속은 제1 및/또는 제2 열 유속보다 낮고, 제3 부분은 제1 및 제2 부분의 하류에 있다.
압력 쉘/반응기 시스템을 빠져나가는 가스의 정해진 온도 범위는 200 내지 1300℃의 범위이다. 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 구조화된 촉매의 가장 하류 표면에서 또는 밑에서 직접 측정된다. 측정 기술은 열전대(전압 강하에 의한), 저항 온도 검출기 또는 적외선 검출기일 수 있다. 측정 지점은 구조화된 촉매로부터 분리되고 하류 비활성/촉매에 매립될 수 있거나, 또는 절연 표면 커버를 가진 표면에서 직접 이루어질 수 있다.
상기 반응기 시스템 내의 구조화된 촉매는 적합하게는 구조화된 촉매를 관통한 수평 단면의 면적 등가 직경과 구조화된 촉매 높이 사이의 비가 0.1 내지 2.0의 범위에 있다. 반응기 시스템을 관통한 단면의 면적 등가 직경은 단면의 면적과 동등한 면적의 원의 직경으로서 정의된다. 구조화된 촉매의 면적 등가 직경과 높이 사이의 비가 0.1 내지 2.0일 때, 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘은 스팀 메탄 개질을 위한 현재 관형 개질기와 같은 흡열 반응을 위한 다른 반응기 시스템과 비교하여 상대적으로 작을 수 있다. 전형적으로, 가스는 반응기 시스템을 통해서 상향류 또는 하향류 방향으로 유동하며, 이로써 가스는 그 높이를 따라 구조화된 촉매에서 채널을 통해서 유동한다. 구조화된 촉매가 다수의 거시적 구조의 어레이를 포함할 때, 어레이 내에서 개별 거시적 구조는 나란히, 또는 서로의 위에, 또는 이들의 조합으로 위치될 수 있다. 구조화된 촉매가 둘 이상의 거시적 구조를 포함할 때, 구조화된 촉매의 치수는 둘 이상의 거시적 구조의 치수임이 강조된다. 따라서, 예로서 구조화된 촉매가 서로의 위에 놓여진 각각 높이 h를 가진 2개의 거시적 구조를 포함한다면, 구조화된 촉매의 높이는 2h이다.
구조화된 촉매의 부피는 전기 전도성 물질의 열 생성 용량과 상관된 반응기 시스템의 원하는 원료 전환율 및/또는 온도를 고려하여 선택된다.
적합하게, 반응기 시스템의 높이는 0.5 내지 7m, 더 바람직하게 0.5 내지 3m이다. 반응기 시스템의 높이의 예시적인 값은 5m 미만, 바람직하게 2m 미만 또는 심지어 1m의 높이다. 반응기 시스템과 반응기 시스템 내의 구조화된 촉매의 치수는 상관된다; 물론, 압력 쉘 및 단열층이 구조화된 촉매 자체보다 반응기 시스템을 다소 더 크게 만든다.
반응기 시스템은 수소를 포함하는 생성물 스트림을 수용하고 그것을 개질된 수소와 오프-가스 스트림으로 분리하도록 배열된 개질 유닛을 더 포함할 수 있다.
원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘을 포함하는 반응기 시스템에서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스의 수소로의 암모니아 크래킹 반응을 수행하기 위한 과정이 또한 제공되며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고; 상기 반응기 시스템에는 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이에 단열이 제공된다.
상기 과정은:
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가도록 배치된 유입구를 통해서 상기 압력 쉘에 공급하고; 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치도록 허용하고 생성물 가스를 상기 압력 쉘로부터 내보내는 단계로서, 상기 생성물 가스는 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가는 단계;
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류가 흐르도록 허용하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되고, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성되며, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하는 단계,
- 반응기 시스템으로부터 수소를 포함하는 생성물 가스를 내보내는 단계
를 포함한다.
상기 제공된 모든 상세한 내용은, 가능하다면, 상기 설명된 과정과도 관련된다.
한 양태에서, 원료 가스는 2 내지 30 bar의 압력으로 가압된다. 원료 가스는 30 내지 200 bar의 압력으로 가압될 수 있다. 적합하게, 구조화된 촉매의 적어도 일부는 적어도 300℃, 바람직하게 적어도 700℃의 온도로 가열된다. 구조화된 촉매가 가열되는 최대 온도는 약 1400℃이다.
상기 과정의 한 양태는 압력 쉘을 통한 유입구를 통해서 냉각 가스를 유입시키는 단계를 더 포함하고, 상기 냉각 가스는 적어도 하나의 전도체를 거쳐서 유동한다.
상기 과정은 수소를 포함하는 생성물 스트림을 개질 유닛에 공급하고 그것을 개질된 수소 스트림과 오프-가스 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 개질 유닛은 오프-가스 스트림이 재순환되고 구조화된 촉매를 지나가기 전에 원료 가스의 공급과 혼합되도록 배열될 수 있다.
개질 유닛은 압력 스윙 흡착 유닛(PSA), 온도 스윙 흡착 유닛(TSA), 또는 막, 또는 심지어 조합을 포함할 수 있다. PSA 또는 TSA 구성형태가 유리한 해결책인데, 이들은 개질 유닛을 떠나는 고압 스트림으로서 수소를 분리하고, 오프-가스는 저압일 것이기 때문이다. 바람직한 실시형태에서, 개질 유닛은 실질적으로 순소한 H2의 개질된 스트림 및 실질적으로 순수한 N2의 오프-가스를 생성하도록 구성된다.
한 양태에서, 상기 과정은 개질된 수소 스트림을 상기 개질 유닛으로부터 전기 생성을 위한 하류 플랜트로 공급하는 단계를 더 포함한다. 한 실시형태에서, 전기 생성 플랜트는 고체 산화물 연료 전지 또는 가스 엔진일 수 있다. 이것은 에너지 벡터로서 암모니아를 사용할 때 에너지 저장을 위한 기술의 사용을 허용한다.
따라서, 본원에 제시된 것과 같은 반응기 시스템에서 암모니아를 포함하는 원료 가스의 금속-촉매된 암모니아 크래킹 반응을 제1 정류-상태 반응 조건(A)으로부터 제2 정류-상태 반응 조건(B)으로 또는 반대로 빠르제 전환하기 위한 방법이 제공된다.
정류 상태 조건에 도달하는 것은 중심 공정 변수(예컨대 원료 유량, 출구 온도, 및 반응물 전환율)가 후속 시간 동안 주어진 공정 변수에 대한 평균 공정 값의 ±15% 이내의 값에 도달한 것으로서 정의된다.
본 발명의 조건 A 또는 B는 시스템의 촉매가 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도를 5 barg 내지 150 barg 의 압력에서 300 내지 1300℃의 온도로 가열하도록 균형잡힌 전력에 의해 가열되는 상태를 수반하며, 이때 공급원료는 암모니아와 수소, 질소, 또는 아르곤 중 하나를 포함하고, 총 유속은 300 Nm3/h 내지 100,000 Nm3/h이다. 공급원료가 모노리스를 지나갈 때, 그것은 반응의 평형을 향해서 반응할 것이다.
본 발명의 한 실시형태에서, 상기 방법은 공급원료가 100% NH3로 구성되고, 총 유량이 103 Nm3/h이며, 28.2 barg의 압력에서 온도가 1500℃인 초기 반응 조건 A를 포함한다. 44 kW의 제1 전력의 공급은 28.1 barg의 압력에서 300℃의 온도를 가진 총 유량 158 Nm3/h의 30.1% NH3, 17.5% N2, 및 52.4% H2로 이루어진 거의 평형화된 가스를 생성한다. 103 kW의 제2 전력을 인가하면서 약 90분의 기간에 걸쳐서 조건 B로의 전환은 28.1 barg의 압력에서 680℃의 온도를 가진 총 유량 205 Nm3/h의 7% NH3, 24.8% N2, 및 74.5% H2로 이루어진 거의 평형화된 가스를 생성한다.
본 발명의 한 실시형태에서, 상기 방법은 공급원료가 96.1% NH3, 1.0% N2, 및 2.49% H2로 구성되고, 총 유량이 1004 Nm3/h이며, 16.5 barg의 압력에서 온도가 150℃인 초기 반응 조건 A를 포함한다. 927 kW의 제1 전력의 공급은 16.4 barg의 압력에서 625℃의 온도를 가진 총 유량 1957 Nm3/h의 0.6% NH3, 24.8% N2, 및 74.5% H2로 이루어진 거의 평형화된 가스를 생성한다. 1578 kW의 제2 전력을 인가하고 총 원료 유량을 1739 Nm3/h로 증가시키면서 약 25분의 기간에 걸쳐서 조건 B로의 전환은 16.4 barg의 압력에서 605℃의 온도를 가진 총 유량 3386 Nm3/h의 0.7% NH3, 24.8% N2, 및 74.4% H2로 이루어진 거의 평형화된 가스를 생성한다.
용어 "반대로"는 제2 반응 조건(B)으로부터 제1 반응 조건(A)으로 전환할 때와 똑같이 제1 반응 조건 (A)으로부터 제2 반응 조건(B)으로 전환할 때도 상기 방법이 적용됨을 의미한다. 주목할 점은 조건 A에서 B로의 전환은 시스템의 공정 값들이 정류 상태 조건의 85% 이내에 도달했을 때 완료된 것으로 간주된다는 것이다.
반응기 시스템은 상기 설명된 것과 같다; 즉, 그것은 암모니아를 포함하는 원료 가스의 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘을 포함하며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 상기 반응기 시스템에는 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이에 단열이 제공된다. 반응기 시스템과 관련하여 상기 설명된 모든 상세한 내용은 당해 기술과도 관련된다.
본 발명의 이 양태의 방법은
상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)에서:
- 제1 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계, 및
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제1 전력을 공급하고, 이로써 제1 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)하에 상기 구조화된 촉매에서 제1 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제1 온도로 가열하고; 상기 제1 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계;
및 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)에서:
- 제2 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계,
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제2 전력을 공급하고, 이로써 제2 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)하에 상기 구조화된 촉매에서 제2 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제2 온도로 가열하고; 상기 제2 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계
를 포함한다.
제1 및 제2 정류-상태 반응 조건 (A) 및 (B)을 달성하기 위해, 제2 전력은 상기 제1 전력보다 높고; 및/또는 상기 제2 총 유량은 상기 제1 총 유량보다 높다.
주목할 점은 총 유량의 증가는 차가운 원료 가스의 유입을 증가시킬 것이고, 따라서 구조화된 촉매가 냉각되고 반응성이 감소됨으로써 제2 정류-상태 반응 조건(B)이 달성된다는 것이다. 유의한 유량 변화는 과정에 필요한 에너지를 변화시킬 것이다.
총 유량의 변화는 조성의 변화가 없는 또는 재순환 유량의 증가 또는 공급원료의 일부의 변화 등 조성의 변화가 수반된 총 유량의 변화를 포함할 수 있다.
한 실시형태에서, 상기 제1 반응 조건 A 대 상기 제2 반응 조건 B(A:B)에서 총 가스 원료 유량의 비는 적어도 1:10이다. 조건 A와 B 사이의 전환은 결과적으로 생성물 가스의 유의한 증가된/감소된 생성을 허용한다. 이것은 본 발명이, 예를 들어 에너지 저장을 위해 사용될 때 유익한데, 이 경우 에너지 그리드로부터의 여분의 전기 에너지가 이용가능하며, 이 방식으로 화학 에너지로서 저장될 수 있거나, 또는 반대로 어디든 필요할 때 그리드에서 전기 에너지의 가용율을 증가시키기 위해 사용된다. 추가로, 이 실시형태는 본 발명이 대기 상태로 작동 중인 동안 하류 공정이 요구할 때마다 다량의 생성물 가스를 공급하기 위한 본 발명의 사용을 허용한다. 이것은 생성물 가스의 연속적 요구가 없는 경우 유익하다.
다른 실시형태에서, 반응 조건 B에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 반응 조건 A에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도보다 50℃ 내지 800℃ 더 높으며, 예컨대 100℃ 내지 500℃ 더 높고, 바람직하게 150℃ 내지 400℃ 더 높다.
이것은 저온 상태에서 작동 상태로 반응기 시스템의 빠른 개시를 허용한다. 이것은 개시 과정이 하기 단계를 수반하는 시스템 개시 상황에서 유익하다:
· 최대 작동 용량에서 플랜트의 정류 상태 조건의 응결점 위 온도로 비-응축 가스의 공정 장비를 가열하는 단계,
· 원료 가스 구성성분을 가압하는 단계,
· 제1 전력을 인가하면서 반응기 시스템에 원료 가스 구성성분을 공급하는 단계,
· 제2 전력을 인가함으로써 더 높은 작동 온도로 전환하는 단계.
이 방식에서, 개시 과정의 모든 단계가 상대적으로 빨라진다. 반응 조건 B에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 전형적으로 반응 조건 A에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도보다 50℃ 이상 높지 않다. 이것은 시스템으로부터 나오는 생성물 가스 조성의 유의한 변화 없이 조건 A와 B 사이의 빠른 변화를 허용한다. 이 방식에서, 반응기 시스템의 하류 공정에서 생성물 가스에 대한 요구는 이들의 화학 환경에 있어서 유의한 방해 없이 상이한 양들로 쉽게 공급될 수 있다.
한 실시형태에서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 제1 총 유량에서 상기 제2 총 유량의 총 가스 원료 유량의 점진적 변화 및 동시에 상기 제1 전력에서 상기 제2 전력으로 상기 전기 전도성 물질에 인가된 전기 전위의 점진적 변화를 포함한다. 이 방식에서, 생성물 가스 조성은 전이 단계 동안 거의 일정하게 고정될 수 있다. 한 실시형태에서, 점진적 변화는 전력을 증가시키는 동안 유량이 조금씩 증가되는 방식으로 이루어지며, 이로써 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
한 실시형태에서, 반응기 시스템은 압력 쉘을 빠져나오는 가스의 온도가 정해진 범위에 있는 것을 보장하고 및/또는 원료 가스의 전환율이 정해진 범위에 있는 것을 보장하도록 전기 전원을 제어하도록 배열된 제어 시스템을 더 포함한다. 전기 전원의 제어는 전원으로부터 나오는 전기 출력의 제어이다. 전기 전원의 제어는, 예를 들어 전기 전원으로부터 나오는 전압 및/또는 전류의 제어로서, 전기 전원의 켜짐 또는 꺼짐의 제어로서 또는 이들의 조합으로서 수행될 수 있다. 구조화된 촉매에 공급된 전력은 교류 또는 직류의 형태일 수 있다.
한 실시형태에 따라서, 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러가 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도의 공정 값의 피드백에 기초하여 전기 전위를 제어한다.
본원에 설명된 방법은 조건 A와 B 사이의 빠른 전환을 허용한다. 따라서, 적합하게, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 3시간 미만, 예컨대 2시간 미만, 예컨대 60분 미만, 바람직하게 30분 미만, 및 더욱 더 바람직하게 15분 미만의 기간에 걸쳐서 일어난다.
한 실시형태에서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 구조화된 촉매에 제2 전력의 공급을 수반한다. 이것은 적합하게 총 유량을 필수적으로 일정하게 유지하면서 일어난다.
한 양태에서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 반응 조건 A와 B 사이의 전이 상태를 포함한다; 상기 전이 상태는 전력이 스위치 오프되는 제1 기간과 뒤이어 조건 B의 상기 제2 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제2 기간을 포함한다. 이것은 정류 상태의 더 빠른 확립을 허용한다.
한 양태에서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 반응 조건 A와 B 사이의 전이 상태를 포함한다; 상기 전이 상태는 제3 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제1 기간과 뒤이어 조건 B의 상기 제2 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제2 기간을 포함하며, 상기 제3 전력은 상기 제2 전력보다 높다. 이것은 정류 상태의 더 빠른 확립을 허용한다.
상기 방법은 본 발명의 반응기 시스템의 하류에서의 적용을 위한 최종 생성물 가스를 제공하기 위해, 정제, 가압, 가열, 냉각 등, 수소를 포함하는 생성물 가스에 대해 수행하는 추가의 단계를 포함할 수 있다.
또한, 둘 이상의 단계가 동시에 시행될 수 있거나, 상기 나타낸 것과 순서가 상이할 수 있다는 점에서, 공정 단계가 적혀진 순서는 반드시 공정 단계가 시행되는 순서가 아니라는 것이 주지되어야 한다.
한 실시형태에서, 상기 과정은 압력 쉘 상류에서 가스를 최대 적어도 2 bar의 압력으로 가압하는 단계를 포함한다. 선택된 작동 압력은 흡열 반응 및 주변 공정 단계에 반응기의 통합에 의해 한정된다.
본 발명에 따른 과정의 한 실시형태에서, 반응기 시스템으로 들어간 원료 가스의 온도는 100℃ 내지 400℃이다. 그러나, 모든 실시형태에서, 원료 가스의 온도 및 압력은 원료 가스가 이슬점 위에 있는 것을 보장하도록 조정된다.
본 발명의 과정의 한 실시형태에서, 구조화된 촉매는 구조화된 촉매의 최대 온도가 200℃ 내지 1300℃에 있도록 가열된다. 사용된 온도는 흡열 반응에 의존할 것이다. 구조화된 촉매의 최대 온도는 전기 전도성 물질의 물질에 의존한다; 따라서, 전기 전도성 물질이 FeCrAlloy로 이루어진다면, 이것은 1380℃ 내지 1490℃의 온도에서 용융하므로(실제 합금에 따라), 최대 온도는 용융점보다 다소 아래여야 하며, 예컨대 전기 전도성 물질의 용융점이 약 1400℃라면 약 1300℃여야 하는데, 물질이 용융점에 접근했을 때 연질 및 연성으로 되기 때문이다. 최대 온도는 추가로 촉매 물질, 코팅 및 촉매 활성 물질의 내구성에 의해 제한될 수 있다.
한 실시형태에서, 본 발명에 따른 과정은 압력 쉘을 통한 유입구를 통해서 냉각 가스를 유입하는 단계를 더 포함하며, 냉각 가스는 적어도 하나의 전도체 및/또는 피팅부를 거쳐서 유동한다. 냉각 가스는 유익하게 수소, 질소, 암모니아, 또는 적어도 하나의 전도체 주변의 영역 또는 구역을 냉각하기에 적합한 임의의 다른 가스일 수 있다. 원료 가스의 일부가 냉각 가스로서 압력 쉘에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 한 실시형태에서, 상기 과정은 압력 쉘을 통한 유입구를 통해서 냉각 가스를 유입하는 단계를 더 포함하며, 냉각 가스는 적어도 하나의 전도체 및/또는 피팅부를 거쳐서 유동한다. 냉각 가스는 임의의 적절한 가스일 수 있다; 이러한 가스의 예들은 수소, 질소, 암모니아, 메탄 또는 이들의 혼합물이다. 냉각 가스는 전도체(들)을 통해서 유동하고 그 안에서 그것(이들)을 냉각할 수 있다; 이 경우, 전도체(들)는 그(그들) 안을 유동하는 냉각 가스를 수용하기 위해 중공이어야 한다.
반응을 위한 촉매 물질은 Fe(Fe3O4 또는 FeO로부터 제조됨), FeCo, Ru/Al2O3, Ru/ZrO2, Fe/Al2O3, FeCo/Al2O3, Ru/MgAl2O3, 또는 CoSn/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Ru, Rh, Fe, Co, Ir, Os, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 잠재적으로 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합될 수 있다. 반응기의 최대 온도는 300-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 ZrO2와 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하는, Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, Ru가 촉매 활성 물질이다.
도면의 상세한 설명
도면 전체적으로 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 표시한다.
도 1a는 본 발명에 따른 반응기 시스템(100)의 실시형태의 단면을 도시한다. 반응기 시스템(100)은 거시적 구조(5)의 어레이로서 배열된, 구조화된 촉매(10)를 포함한다. 어레이에서 각 거시적 구조(5)는 촉매 활성 물질로 함침된 세라믹 코팅으로 코팅된다. 또한, 반응기 시스템(100)은 전원(도면에는 도시되지 않음) 및 구조화된 촉매(10), 즉 거시적 구조의 어레이에 연결된 전도체(40, 40')를 포함한다. 전도체(40, 40')는 피팅부(50)를 통해 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘(20)의 벽을 관통해서 그리고 압력 쉘의 내측 상의 절연 물질(30)을 관통해서 이어진다. 전도체(40')는 전도체 접촉 레일(41)에 의해 거시적 구조의 어레이에 연결된다.
한 실시형태에서, 전기 전원이 26 V의 전압 및 1200 A의 전류를 공급한다. 다른 실시형태에서, 전기 전원은 5 V의 전압 및 240 A의 전류를 공급한다. 전류는 전기 전도체(40, 40')를 통해서 전도체 접촉 레일(41)까지 이어지고, 전류는 구조화된 촉매(10)를 통해서 하나의 전도체 접촉 레일(41)로부터, 예를 들어 도 1의 좌측에서 보이는 전도체 접촉 레일로부터 나머지 전도체 접촉 레일(41)로, 예를 들어 도 1의 우측에서 보이는 전도체 접촉 레일로 흐른다. 전류는, 예를 들어 양 방향으로 교대로 흐르는 교류, 또는 두 방향 중 임의의 방향으로 흐르는 직류일 수 있다.
거시적 구조(5)는 전기 전도성 물질로 이루어진다. 특히 바람직한 것은 알루미늄, 철 및 크롬으로 구성되는 합금 칸탈이다. 구조화된 촉매(5) 위에 코팅된 세라믹 코팅, 예를 들어 산화물은 촉매 활성 물질로 함침된다. 전도체(40, 40')는 철, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들의 합금과 같은 물질로 제조된다.
작동 동안, 암모니아를 포함하는 원료 가스는 화살표(11)에 의해 표시된 대로 위에서부터 반응기 시스템(100)으로 들어간다. 수소를 포함하는 생성물 스트림은 화살표(12)에 의해 표시된 대로 바닥으로부터 반응기 시스템을 빠져나간다.
도 1b는 압력 쉘(20)과 단열(30)층의 일부가 제거된 도 1a의 반응기 시스템(100)을 도시하고, 도 2는 반응기 시스템(100)의 일부의 확대도이다. 도 1b 및 2에서 전도체(40')와 전도체 접촉 레일(41) 사이의 연결이 도 1a보다 더 명확히 도시된다. 또한, 전도체(40)는 피팅부(50)에서 압력 쉘의 벽을 통과해 이어진다는 것과 압력 쉘 내에서 하나의 전도체(40)가 3개의 전도체(40')로 분할된다는 것을 볼 수 있다. 전도체(40')의 수는 임의의 적절한 수일 수 있으며, 예컨대 3개보다 적거나 3개보다 많을 수 있다.
도 1a, 1b 및 2에 도시된 반응기 시스템에서, 전도체(40, 40')는 피팅부(50)를 통해 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘(20)의 벽을 통과해서 그리고 압력 쉘 내측의 절연 물질(30)을 통과해서 이어진다. 암모니아 크래킹 반응을 위한 원료 가스는 화살표(11)에 의해 도시된 대로 반응기 시스템(100)의 상부측에서 유입구를 통해 반응기 시스템(100)에 유입되고, 전환된 생성물 스트림은 화살표(12)에 의해 도시된 대로 반응기 시스템(100)의 바닥에서 유출구를 통해 반응기 시스템(100)을 빠져나간다. 또한, 하나 이상의 추가의 유입구(도 1a 내지 2에는 도시되지 않음)가 유익하게 피팅부(50) 가까이에 또는 조합하여 존재한다. 이러한 추가의 유입구는 압력 쉘 내에서 적어도 하나의 전도체를 거쳐서, 주변에서, 가까이에서, 또는 내부에서 냉각 가스의 유동을 허용하며, 이로써 피팅의 가열을 감소시킨다. 냉각 가스는, 예를 들어 수소, 질소, 메탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 압력 쉘에 진입시 냉각 가스의 온도는, 예를 들어 약 100℃일 수 있다.
도 1a 내지 2에 도시된 반응기 시스템(100)에서, 비활성 물질(도 1a 내지 2에는 도시되지 않음)이 유익하게 구조화된 촉매(10)의 하부측과 압력 쉘의 바닥 사이에 존재한다. 더욱이, 비활성 물질은 유익하게 거시적 구조(5)의 구조화된 촉매(10)의 외측과 절연 물질(30) 사이에 존재한다. 따라서, 절연 물질(30)의 한쪽은 압력 쉘(20)의 내측과 면하고, 절연 물질(30)의 타측은 비활성 물질과 면한다. 비활성 물질은, 예를 들어 세라믹 물질이고 펠릿의 형태일 수 있다. 비활성 물질은 반응기 시스템(100)을 가로지른 압력 강하의 제어 및 반응기 시스템(100)을 통한 가스 유동의 제어를 보조하며, 이로써 가스는 구조화된 촉매(10)의 표면을 거쳐서 유동한다.
도 3a 및 3b는 구조화된 촉매(10')를 포함하는 본 발명 반응기 시스템(100', 100")의 한 실시형태의 모식적 단면을 도시한다. 구조화된 촉매(10')는 촉매 활성 물질을 담지하는 세라믹 코팅을 가진 단일 거시적 구조로 구성될 수 있거나, 또는 그것은 둘 이상의 거시적 구조를 함유할 수 있다. 반응기 시스템(100', 100")의 각각은 압력 쉘(20) 및 구조화된 촉매(10')와 압력 쉘(20) 사이의 단열층(80)을 포함한다. 구조화된 촉매(10')와 단열층 또는 압력 쉘(20) 사이의 틈을 채우기 위해 비활성 물질(90)이 사용될 수 있다. 도 3a 및 3b에서, 비활성 물질(90)은 점선 영역에 의해 표시된다; 비활성 물질(90)은 임의의 적절한 형태, 예를 들어 비활성 펠릿의 형태일 수 있으며, 그것은 예를 들어 세라믹 물질이다. 비활성 물질(90)은 반응기 시스템을 통한 압력 강하의 제어 및 반응기 시스템을 통한 가스 유동의 제어를 보조한다. 또한, 비활성 물질은 전형적으로 단열 효과를 가진다.
도 3a 및 3b로부터, 반응기 시스템(100', 100")이 구조화된 촉매(10')와 열 교환 관계에 있는 내부 관(15)을 더 포함하는 것을 볼 수 있다. 내부 관(15)은 구조화된 촉매(10')로부터 생성물 가스를 인출하도록 적합하게 되며, 이로써 내부 관 또는 관들을 통해 유동하는 생성물 가스는 구조화된 촉매를 거쳐서 유동하는 가스와 열 교환 관계에 있다; 그러나, 내부 관(15)은 절연층(80), 비활성 물질(90), 틈, 또는 조합에 의해 구조화된 촉매(10')로부터 전기적으로 절연된다. 이것은 바요넷 반응기 시스템으로 표시되는 레이아웃이다. 이 레이아웃에서, 내부 관 내의 생성물 가스는 거시적 구조를 거쳐서 유동하는 공정 가스의 가열을 보조한다. 도 3a 및 3b에 도시된 레이아웃에서, 원료 가스는 화살표(11)에 의해 나타낸 대로 반응기 시스템(100', 100")으로 들어가고, 계속해서 화살표(13)에 의해 나타낸 대로 구조화된 촉매(10')로 보내진다. 원료 가스가 구조화된 촉매(10')를 통과하는 동안 그것은 암모니아 크래킹 반응을 겪는다. 구조화된 촉매(10')를 빠져나오는 가스는 적어도 부분적으로 시안화수소로 전환된다. 적어도 부분적으로 전환된 가스는 화살표(14)에 의해 나타낸 대로 구조화된 촉매(10')로부터 내부 관(15)으로 유동하고, 화살표(12)에 의해 나타낸 대로 내부 관을 빠져나간다. 내부 관(15)과 구조화된 촉매(10') 사이에 단열층(80)이 존재함에도 불구하고, 내부 관(15) 내의 가스와 구조화된 촉매(10') 내의 가스로부터 또는 구조화된 촉매(10')의 상류에서 일부 열 전달이 일어날 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 실시형태에서, 원료 가스는 구조화된 촉매(10')를 통해서 아래쪽으로 그리고 내부 관(15)을 통해서 위쪽으로 유동한다; 그러나, 원료 가스가 구조화된 촉매(10')를 통해서 위쪽으로 그리고 내부 관(15)을 통해서 아래쪽으로 유동하도록 구성형태가 반전된 것도 고려될 수 있다.
도 4 및 5는 위와 측면에서 각각 본 거시적 구조의 어레이를 포함하는 구조화된 촉매의 실시형태를 도시한다. 도 4는 위에서 본, 즉 도 1a 및 1b에서 화살표(11)로부터 본 거시적 구조(5)의 어레이를 포함하는 구조화된 촉매(10)를 도시한다. 이 어레이는 5개 거시적 구조(5)의 6개 열, 즉 1a, 1b, 1c, 1d, 1e 및 1f를 가진다. 각 열에서 거시적 구조(5)는 같은 열에서 그것의 이웃한 거시적 구조(들)와 연결되고, 각 열에서 2개의 최외각 거시적 구조는 전도체 접촉 레일(41)과 연결된다. 거시적 구조의 열에서 이웃한 거시적 구조(5)는 연결 피스(3)에 의해 서로 연결된다.
도 5는 측면에서 본 도 4의 거시적 구조(5)의 어레이를 가진 구조화된 촉매(10)를 도시한다. 도 5로부터, 각 거시적 구조(5)가 도 4에서 본 단면에 길이방향으로 수직 연장된다는 것을 볼 수 있다. 각 거시적 구조(5)는 그것의 종 방향을 따라 절단된 슬릿(60)을 가진다(도 5 참조). 따라서, 전원에 의해 에너지가 제공되었을 때, 전류가 전도체 접촉 레일(41)을 통해 거시적 구조(5)의 어레이로 들어가고, 제1 거시적 구조(5)를 통해서 슬릿(60)의 하한까지 이어지고, 계속해서 연결 피스(3)를 향해 위쪽으로 이어진다. 전류는 어레이(10)의 거시적 구조(5)의 각 열 1a-1f에서 각 거시적 구조(5)를 통해서, 아래쪽으로 및 위쪽으로, 상응하는 지그재그 경로를 통해 이어진다. 이 구성형태는 유익하게 구조화된 촉매(10)에 대한 저항을 증가시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 구조화된 촉매(10)의 투시도를 도시한다. 구조화된 촉매(10)는 촉매 활성 물질로 함침된 세라믹 코팅으로 코팅된 거시적 구조를 포함한다. 구조화된 촉매 내에 거시적 구조(5)의 종 방향(도 6에서 'h'로 나타낸 화살표에 의해 도시됨)을 따라 연장된 채널(70)이 존재한다; 채널은 벽(75)에 의해 한정된다. 도 6에 도시된 실시형태에서, 벽(75)은 화살표(12)에 의해 나타낸 유동 방향에서 봤을 때 다수의 평행한 정사각형 채널(70)을 한정한다. 위에서 봤을 때 구조화된 촉매(10)는 가장자리 길이 e1 및 e2에 의해 한정된 실질적으로 정사각형 외주부를 가진다. 그러나, 외주부는 또한 원형 또는 다른 모양일 수 있다.
구조화된 촉매(10)의 벽(75)은 거시적 구조 위에 코팅된, 세라믹 코팅, 예를 들어 산화물로 코팅된 압출된 또는 3D 프린트된 물질로 이루어진다. 도면에서, 세라믹 코팅은 도시되지 않는다. 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질로 함침된다. 세라믹 코팅 및 촉매 활성 물질은 촉매화된 구조(10) 내의 모든 벽에 존재하며, 그 위에서 가스가 작동 동안 유동하고, 구조화된 촉매의 가열된 표면 및 촉매 활성 물질과 상호작용한다.
따라서, 사용 동안 암모니아 크래킹 반응을 위한 반응기 시스템에서, 원료 가스는 채널(70)을 통해서 유동하고, 구조화된 촉매의 가열된 표면 및 세라믹 코팅에 의해 담지된 촉매 활성 물질과 상호작용한다.
도 6에 도시된 구조화된 촉매(10)에서, 구조화된 촉매(10)에 슬릿(60)이 절단된다. 슬릿(60)은 전류를 거시적 구조 내에서 지그재그 경로로, 이 경우 아래쪽으로 그리고 계속해서 위쪽으로 흐르도록 하며, 이로써 전류 경로 및 저항을 증가시키고, 결과적으로 거시적 구조 내에서 열을 소산시킨다. 거시적 구조 내의 슬릿(60)에는 전류가 슬릿(60)의 횡 방향으로 흐르지 않도록 보장하기 위해 매립된 절연 물질이 제공될 수 있다.
구조화된 촉매(10)에서 채널(70)은 양 단부에서 개방된다. 반응기 시스템에서 구조화된 촉매의 사용시, 원료 가스는 도 1a 및 1b에서 화살표(11 및 12)에 의해 도시된 방향으로, 이 유닛을 통해서 유동하고, 채널(70)의 벽(75)과 접촉함으로써 그리고 열 복사에 의해 가열된다. 열은 원하는 암모니아 크래킹 반응을 개시한다. 채널(70)의 벽(75)은, 예를 들어 0.5mm의 두께를 가질 수 있고, 벽(75) 위에 코팅된 세라믹 코팅은, 예를 들어 0.1mm의 두께를 가질 수 있다. 화살표(11 및 12)(도 1a 및 1b 참조)는 원료 가스가 아래쪽으로 유동한다는 것을 나타내고 있지만, 반대 유동 방향, 즉 위쪽으로 유동하는 것도 고려된다.
도 7은 커넥터(7)가 부착된 도 1a 및 1b의 구조화된 촉매(10)의 투시도를 도시한다. 커넥터(7)는 각각 구조화된 촉매(10)의 일부를 전도체(40)와 연결한다. 전도체(40)는 전원(미도시)에도 연결된다. 커넥터(7)의 각각은 구조화된 촉매의 상부 부분에 연결된다. 전도체(40)가 전원에 연결되었을 때, 전기 전류가 전도체를 통해 상응하는 커넥터(7)로 이어지고 구조화된 촉매(10)를 통해 흐른다. 슬릿(60)은 구조화된 촉매(10)의 높이(h)를 따라 그 길이 전체에서 전류가 횡 방향(도 7의 수평 방향)으로 흐르는 것을 방해한다. 따라서, 슬릿(60)을 따라 구조화된 촉매의 일부에서 전류는 도 7에서 봤을 때 아래쪽 방향으로 흐르고, 계속해서 그것은 도 7에서 봤을 때 슬릿(60) 아래에서 종 방향을 가로질러 흐르고, 마지막으로 전류는 구조화된 촉매의 종 방향으로 나머지 커넥터(7)까지 위쪽으로 흐른다. 도 7에서 커넥터(7)는 특히 스크류 및 볼트와 같은 기계적 고정 수단에 의해 구조화된 촉매에 기계적으로 고정된다. 그러나, 추가의 또는 대안의 고정 수단도 고려된다. 한 실시형태에서, 전기 전원은 3 V의 전압 및 400 A의 전류를 발생시킨다. 커넥터(7)는, 예를 들어 철, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들의 합금과 같은 물질로 제조된다.
언급된 대로, 구조화된 촉매(10)는 촉매 활성 물질을 담지하는, 산화물 같은 세라믹 코팅으로 코팅된다. 그러나, 커넥터(7)에 연결된, 구조화된 촉매(10)의 일부는 산화물로 코팅되지 않아야 한다. 대신, 구조화된 촉매의 거시적 구조는 거시적 구조와 커넥터 사이의 양호한 전기적 연결을 얻기 위해 커넥터(7)에 노출되거나 직접 연결되어야 한다.
커넥터(7)와 커넥터(40)가 구조화된 촉매(10)의 같은 단부, 즉 도 7에서 봤을 때 상단부에 연결되었을 때, 구조화된 촉매(10)를 수용하는 반응기 시스템으로 들어가는 원료 가스는 커넥터(7)와 커넥터(40)를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 반응기 시스템으로 들어가는 원료 가스는 200℃ 내지 400℃의 온도를 가질 수 있고, 따라서 커넥터(7)와 커넥터(40)가 이 온도보다 훨씬 더 높은 온도에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 커넥터(7"')를 가진 구조화된 촉매(10"')의 다른 실시형태를 도시한다. 구조화된 촉매(10"')는, 예를 들어 도 6에 도시된 것과 같은 구조화된 촉매이다. 커넥터(7"")의 각각은 그것의 상부측에 전도체(미도시)와의 연결을 위한 3개의 구멍을 가진다. 한 조각의 전기 절연 물질(61)이 구조화된 촉매(10"')의 슬릿(60)(도 6 참조) 내부에 존재한다.
도 9는 28 barg의 압력에서 공급원료로서 순수한 암모니아를 사용하는 경우 온도의 함수로서 암모니아 크래킹 반응의 열역학적 평형을 도시한다. 이 도면은 생성물 가스의 암모니아 함량이 감소한 것에 의해 나타낸 대로, 반응기 시스템의 출구 온도를 증가시킴으로써 암모니아의 전환율의 증가한다는 것을 예시한다. 이것은 선택적으로 수소와 질소의 혼합물로 전환된다. 300℃의 출구 온도에서 작동은 단지 52% H2를 가진 가스를 생성하지만, 이것은 온도를 700℃로 증가시킴으로써 75% H2로 증가된다. 결과적으로, 고온은 공급원료의 원하는 생성물로의 높은 전환율을 달성하는데 필수적이며, 본 발명은 이것을 컴팩트하고 지속가능하며 효율적인 방식으로 달성할 수 있는 해결책을 제공한다.
도면들에 도시된 구조화된 촉매는 z 축에 수직으로 봤을 때 정사각형 단면을 가진 채널을 갖는 것으로 도시되지만, 채널의 단면의 임의의 적절한 모양이 고려될 수 있음이 주지되어야 한다. 따라서, 구조화된 촉매의 채널은 대안으로서 예를 들어 삼각형, 육각형, 팔각형, 또는 원형일 수 있으며, 삼각형, 정사각형 및 육각형 모양이 바람직하다.
본 발명은 다양한 실시형태 및 실시예의 설명에 의해 예시되었고, 이들 실시형태 및 실시예는 상당히 상세히 설명되었지만, 본 출원인은 첨부된 청구항의 범위를 이러한 상세한 내용에 어떤 식으로도 제한하거나 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 당업자에게는 추가의 이점 및 변형이 당연히 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 그것의 보다 넓은 양태에서 도시되고 설명된 구체적인 상세한 내용, 대표적인 방법, 및 예시적인 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명의 개념의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 이러한 상세한 내용으로부터 벗어날 수 있다.
발명의 항목
1. 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 반응기 시스템으로서,
- 암모니아를 포함하는 원료 가스의 공급;
- 상기 원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하는, 구조화된 촉매;
- 상기 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 유입구 및 생성물 가스의 유출을 위한 유출구를 포함하고, 상기 유입구는 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스가 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가도록 배치된, 압력 쉘;
- 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층;
- 상기 구조화된 촉매 및 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체로서, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가지고, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되며, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성된, 전도체;
- 수소를 포함하는 생성물 스트림을 위한 유출구
를 포함하는, 반응기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 전원은 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃, 바람직하게 적어도 700℃의 온도로 가열할 수 있는 치수인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
3. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 원료 가스는 추가로 H2, N2, 또는 Ar을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘은 2 내지 30 bar의 설계 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘은 30 내지 200 bar의 설계 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 물질의 저항률은 10-5 Ωm 내지 10-7 Ωm인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전도체는 피팅부에서 압력 쉘을 통과해서 이어지며, 이로써 적어도 2개의 전도체가 압력 쉘로부터 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 압력 쉘은 적어도 하나의 피팅부에 가까이 또는 적어도 하나의 피팅부와 조합하여 하나 이상의 유입구를 더 포함하며, 이로써 냉각 가스가 상기 압력 쉘 내에서 적어도 하나의 컨덕터를 거쳐서, 주변에서, 가까이에서 또는 내부에서 유동하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기 시스템은 구조화된 촉매와 전기 절연된 상태에서 열 교환 관계에 있는 내부 관을 더 포함하고, 상기 내부 관은 구조화된 촉매로부터 생성물 가스를 인출하도록 적합하게 되며, 이로써 내부 관을 통해서 유동하는 생성물 가스는 구조화된 촉매를 거쳐서 유동하는 가스와 열 교환 관계에 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매와 상기 적어도 2개의 전도체 사이의 연결은 기계적 연결, 용접 연결, 납땜 연결 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
11. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 물질은 3D 프린트되거나 또는 압출되고 소결된 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
12. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 서로 전기적으로 연결된 거시적 구조의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
13. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조화된 촉매는 상기 적어도 2개의 전도체 사이의 원래 전류 경로의 길이를 구조화된 촉매의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 배열된 전기 절연부를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
14. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조화된 촉매는 상기 구조화된 촉매를 통해서 전류를 보내도록 배열된 적어도 하나의 전기 절연부를 가지며, 이로써 상기 구조화된 촉매의 길이의 적어도 70%에서 원래 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
15. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거시적 구조는 복수의 평행한 채널, 복수의 비-평행 채널 및/또는 복수의 미로형 채널을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
16. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 상기 거시적 구조의 채널에 로딩된 촉매 펠릿, 압출물 또는 과립 형태의 제3 촉매 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
17. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기 시스템은 상기 압력 쉘 내에서 상기 구조화된 촉매의 하류에 제4 촉매 물질의 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
18. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 거시적 구조의 재료는 물질의 저항 가열에 의해 500 내지 50000 W/m²의 열 유속을 생성하도록 배열된 물질로서 선택되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
19. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 제1 열 유속을 생성하도록 배열된 제1 부분 및 제2 열 유속을 생성하도록 배열된 제2 부분을 포함하고, 제1 열 유속은 제2 열 유속보다 낮으며, 제1 부분은 제2 부분의 상류에 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
20. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 제3 열 유속을 생성하도록 배열된 제3 부분을 포함하고, 제3 열 유속은 제1 및/또는 제2 열 유속보다 낮으며, 제3 부분은 제1 및/또는 제2 부분의 하류에 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
21. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 압력 쉘을 빠져나오는 가스의 온도가 정해진 범위에 있는 것을 보장하고 및/또는 원료 가스의 전환율이 정해진 범위에 있는 것을 보장하도록 전기 전원을 제어하도록 배열된 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
22. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템 내의 구조화된 촉매는 구조화된 촉매를 통한 수평 단면의 면적 등가 직경과 구조화된 촉매의 높이 사이의 비가 0.1 내지 2.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
23. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기 시스템의 높이는 0.5 내지 7m, 더 바람직하게 0.5 내지 3m인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
24. 원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘을 포함하는 반응기 시스템에서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스의 수소로의 암모니아 크래킹 반응을 수행하기 위한 과정으로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고; 상기 반응기 시스템에는 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이에 단열이 제공되고, 상기 과정은:
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가도록 배치된 유입구를 통해서 상기 압력 쉘에 공급하고; 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치도록 허용하고 생성물 가스를 상기 압력 쉘로부터 내보내는 단계로서, 상기 생성물 가스는 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가는 단계;
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류가 흐르도록 허용하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되고, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성되며, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하는 단계, 및
- 반응기 시스템으로부터 수소를 포함하는 생성물 가스를 내보내는 단계
를 포함하는 과정.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 원료 가스는 2 내지 30 bar의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 과정.
26. 제 24 항에 있어서, 상기 원료 가스는 30 내지 200 bar의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 과정.
27. 제 24 항 내지 제 26 항에 있어서, 구조화된 촉매의 적어도 일부는 적어도 300℃, 바람직하게 적어도 700℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 과정.
28. 제 24 항 내지 제 27 항에 있어서, 압력 쉘을 통한 유입구를 통해서 냉각 가스를 유입하는 단계를 더 포함하며, 이로써 상기 냉각 가스는 적어도 하나의 전도체를 거쳐서 유동하는 것을 특징으로 하는 과정.
29. 제 24 항 내지 제 28 항에 있어서, 상기 과정은 수소를 포함하는 생성물 스트림을 개질 유닛에 공급하고 그것을 개질된 수소 스트림과 오프-가스 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과정.
30. 제 29 항에 있어서, 상기 과정은 생성물 가스 또는 개질된 수소 스트림을 상기 개질 유닛으로부터 전기 생성을 위한 하류 플랜트에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과정.
31. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 시스템에서 암모니아를 포함하는 원료 가스의 금속-촉매화된 암모니아 크래킹 반응을 제1 정류-상태 반응 조건(A)으로부터 제2 정류-상태 반응 조건(B)으로 또는 반대로 빠르게 전환하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)에서:
- 제1 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계, 및
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제1 전력을 공급하고, 이로써 제1 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)하에 상기 구조화된 촉매에서 제1 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제1 온도로 가열하고; 상기 제1 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계;
및 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)에서:
- 제2 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계,
- 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제2 전력을 공급하고, 이로써 제2 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)하에 상기 구조화된 촉매에서 제2 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제2 온도로 가열하고; 상기 제2 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계
를 포함하며;
여기서 상기 제2 전기 전력은 상기 제1 전기 전력보다 높고; 및/또는 상기 제2 총 유량은 상기 제1 총 유량보다 높은, 방법.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매와 연결되며, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체로부터 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 제1 반응 조건 A 대 상기 제2 반응 조건 B에서 총 가스 원료 유량의 비(A:B)는 적어도 1:10인 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 B에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 반응 조건 A에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도보다 50℃ 내지 800℃ 더 높으며, 예컨대 100℃ 내지 500℃ 더 높고, 바람직하게 150℃ 내지 400℃ 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제 31 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 제1 총 유량에서 상기 제2 총 유량으로 총 가스 원료 유량의 점진적 변화 및 동시에 상기 제1 전력에서 상기 제2 전력으로 상기 전기 전도성 물질에서의 인가된 전기 전위의 점진적 변화를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제 31 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 B에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 반응 조건 A에서 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도보다 50℃ 이상 높지 않은 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제 31 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서, 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러가 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도의 공정 값의 피드백에 기초하여 전기 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제 31 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매로부터의 생성물 가스 출구 온도는 구조화된 촉매 아래에서 또는 가장 하류 표면에서 직접 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제 31 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 3시간 미만, 예컨대 2시간 미만, 예컨대 60분 미만, 바람직하게 30분 미만, 및 더욱 더 바람직하게 15분 미만의 기간에 걸쳐서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
40. 제 31 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 구조화된 촉매에 제2 전력을 공급하는 것을 수반하는 것을 특징으로 하는 방법.
41. 제 31 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 반응 조건 A와 B 사이의 전이 상태를 포함하며, 상기 전이 상태는 전력이 스위치 오프되는 제1 기간과 뒤이어 조건 B의 상기 제2 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제2 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
42. 제 31 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 조건 A와 B 사이의 전환은 상기 반응 조건 A와 B 사이의 전이 상태를 포함하며, 상기 전이 상태는 제3 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제1 기간과 뒤이어 조건 B의 상기 제2 전력이 구조화된 촉매에 공급되는 제2 기간을 포함하고, 상기 제3 전력은 제2 전력보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.

Claims (10)

  1. 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스로부터 수소를 생성하기 위한 반응기 시스템으로서,
    - 암모니아를 포함하는 원료 가스의 공급;
    - 상기 원료 가스의 상기 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하는, 구조화된 촉매;
    - 상기 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 유입구 및 생성물 가스의 유출을 위한 유출구를 포함하고, 상기 유입구는 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스가 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가도록 배치된, 압력 쉘;
    - 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층;
    - 상기 구조화된 촉매 및 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체로서, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가지고, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되며, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성된, 전도체;
    - 수소를 포함하는 생성물 스트림을 위한 유출구
    를 포함하는, 반응기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 전원은 상기 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃, 바람직하게 적어도 700℃의 온도로 가열할 수 있는 치수인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 원료 가스는 추가로 H2, N2, 또는 Ar을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘은 2 내지 30 bar의 설계 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘은 30 내지 200 bar의 설계 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 물질의 저항률은 10-5 Ω·m 내지 10-7 Ω·m인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  7. 원료 가스의 암모니아 크래킹 반응을 촉매하도록 배열된 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘을 포함하는 반응기 시스템에서, 암모니아 크래킹 반응 조건하에 촉매의 존재하에 암모니아를 포함하는 원료 가스의 수소로의 암모니아 크래킹 반응을 수행하기 위한 방법으로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고; 상기 반응기 시스템에는 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이에 단열이 제공되며, 상기 방법은:
    - 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
    - 상기 가압된 원료 가스를 상기 원료 가스가 상기 구조화된 촉매의 제1 단부에서 상기 구조화된 촉매로 들어가도록 배치된 유입구를 통해서 상기 압력 쉘에 공급하고, 원료 가스가 구조화된 촉매 상에서 암모니아 크래킹 반응을 거치도록 허용하고, 생성물 가스를 상기 압력 쉘로부터 내보내는 단계로서, 상기 생성물 가스는 상기 구조화된 촉매의 제2 단부로부터 상기 구조화된 촉매를 빠져나가는 단계;
    - 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류가 흐르도록 허용하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 적어도 300℃의 온도로 가열하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 전도체는 상기 구조화된 촉매의 상기 제2 단부보다 상기 구조화된 촉매의 상기 제1 단부에 더 가까운 구조화된 촉매 상의 위치에서 구조화된 촉매에 연결되고, 구조화된 촉매는 전기 전류가 하나의 전도체에서 실질적으로 구조화된 촉매의 제2 단부로 흐르고 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 되돌아가도록 전기 전류를 보내도록 구성되며, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매 상에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하고, 이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 구조화된 촉매 상에서 암모니아 크래킹 반응을 거치기에 충분한 온도로 가열하는 단계,
    - 반응기 시스템으로부터 수소를 포함하는 생성물 가스를 내보내는 단계
    를 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방법은 수소를 포함하는 생성물 스트림을 개질 유닛에 공급하고, 그것을 개질된 수소 스트림과 오프-가스 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 방법은 생성물 가스 또는 개질된 수소 스트림을 상기 개질 유닛으로부터 전기 생성을 위한 하류 플랜트에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 시스템에서 암모니아를 포함하는 원료 가스의 금속-촉매화된 암모니아 크래킹 반응을 제1 정류-상태 반응 조건(A)으로부터 제2 정류-상태 반응 조건(B)으로 또는 반대로 빠르게 전환하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)에서:
    - 제1 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계, 및
    - 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제1 전력을 공급하고, 이로써 제1 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
    이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제1 정류-상태 반응 조건(A)하에 상기 구조화된 촉매 상에서 제1 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제1 온도로 가열하고; 상기 제1 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계; 및
    상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)에서:
    - 제2 총 유량으로 반응기 시스템에 상기 원료 가스를 공급하는 단계,
    - 상기 구조화된 촉매에 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원을 연결하는 전기 전도체를 통해 제2 전력을 공급하고, 이로써 제2 전기 전류가 상기 전기 전도성 물질을 통해서 흐르도록 허용하며,
    이로써 구조화된 촉매의 적어도 일부를 상기 원료 가스가 상기 제2 정류-상태 반응 조건(B)하에 상기 구조화된 촉매 상에서 제2 생성물 가스 혼합물로 전환되는 제2 온도로 가열하고; 상기 제2 생성물 가스는 반응기 시스템으로부터 유출되는 단계
    를 포함하며;
    여기서 상기 제2 전기 전력은 상기 제1 전기 전력보다 높고; 및/또는 상기 제2 총 유량은 상기 제1 총 유량보다 높은, 방법.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230154201A (ko) 2021-03-11 2023-11-07 토프쉐 에이/에스 암모니아 분해로부터 수소를 생성하기 위한 방법 및 시스템
US11994061B2 (en) 2021-05-14 2024-05-28 Amogy Inc. Methods for reforming ammonia
US11724245B2 (en) 2021-08-13 2023-08-15 Amogy Inc. Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems
KR20240020274A (ko) 2021-06-11 2024-02-14 아모지 인크. 암모니아의 가공처리를 위한 시스템 및 방법
US11539063B1 (en) 2021-08-17 2022-12-27 Amogy Inc. Systems and methods for processing hydrogen
CN115353070B (zh) * 2022-08-26 2023-07-14 佛山阿莫尼亚科技有限公司 氨裂解制氢装置、系统及方法
US11834334B1 (en) 2022-10-06 2023-12-05 Amogy Inc. Systems and methods of processing ammonia
US11866328B1 (en) 2022-10-21 2024-01-09 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia
US11795055B1 (en) 2022-10-21 2023-10-24 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5296198A (en) * 1990-11-09 1994-03-22 Ngk Insulators, Ltd. Heater and catalytic converter
JP2919987B2 (ja) * 1991-03-05 1999-07-19 日本碍子株式会社 抵抗調節型ヒーター
JPH056120U (ja) * 1991-07-04 1993-01-29 カルソニツク株式会社 金属触媒装置
US6746650B1 (en) * 1999-06-14 2004-06-08 Utc Fuel Cells, Llc Compact, light weight methanol fuel gas autothermal reformer assembly
DE10104601A1 (de) * 2001-02-02 2002-08-14 Xcellsis Gmbh Reaktor für ein Brennstoffzellenssystem
DE10317197A1 (de) * 2003-04-15 2004-11-04 Degussa Ag Elektrisch beheizter Reaktor und Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur unter Verwendung dieses Reaktors
KR100558970B1 (ko) * 2003-09-26 2006-03-10 한국에너지기술연구원 자체 기동 기능이 있는 콤팩트형 부분산화반응 공정
JP4915452B2 (ja) * 2010-01-12 2012-04-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
DE102015110120A1 (de) * 2015-06-24 2016-12-29 Thyssenkrupp Ag Optimierung des Wärmehaushalts in Reformern durch Einsatz von metallischen Katalysatorträgern
DE102016224711B4 (de) * 2016-12-12 2019-08-01 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betrieb eines elektrisch beheizbaren Katalysators
FI3720812T3 (fi) * 2017-12-08 2023-08-11 Topsoe As Laitos ja prosessi synteesikaasun tuottamiseksi
EP3574991A1 (en) * 2018-05-31 2019-12-04 Haldor Topsøe A/S Steam reforming heated by resistance heating

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