KR20230058640A - 탄화수소 열분해를 위한 이동층 반응기 - Google Patents

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사무엘 샤너
브레트 파킨슨
앤드류 칼드웰
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씨제로 인크.
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Abstract

열전달 매체는 입자를 포함한다. 입자는 불연속상 및 매트릭스 물질을 포함한다. 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖는다. 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.

Description

탄화수소 열분해를 위한 이동층 반응기
본원은 탄화수소 열분해를 위한 이동층 반응기(MOVING BED REACTOR)에 관한 것이다.
[관련출원 상호참조]
본 출원은, 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함되는, "탄화수소 열분해를 위한 이동층 반응기"라는 발명의 명칭으로 2020년 8월 6일에 출원된 미국 가출원 특허 제63/062,038호의 이익을 주장한다.
공업용 수소는 주로 수증기 메탄 개질(SMR: steam methane reforming) 공정을 이용하여 생성되고, 반응기에서 나오는 생성물 유출물은 원하는 수소 생성물뿐만 아니라 가스 탄소 산화물(CO/CO2) 및 전환되지 않은 메탄을 포함하는 다른 가스 종도 포함한다. 수송 또는 저장을 위한 수소의 분리 및 개질기(reformer)로 다시 재순환시키기 위한 메탄의 분리는 압력 스윙 흡착(PSA: pressure swing adsorption) 장치에서 수행되며, 이는 비용이 많이 들고 에너지 집약적인 분리 방법이다. 전반적으로, 공정은 상당한 양의 이산화탄소를 생성하여 환경에 방출한다.
일부 실시예에서, 열전달 매체(heat transfer media)는 입자를 포함한다. 입자는 불연속상(discontinuous phase) 및 매트릭스 물질(matrix material)을 포함한다. 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖는다. 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.
일부 실시예에서, 열전달 매체와의 반응을 수행하는 방법은 열전달 매체를 가열하는 단계, 열전달 매체를 가열하는 단계에 대응하여 열전달 매체 내의 상 변화 물질(PCM: phase change material)을 녹이는 단계, 열전달 매체와 반응물을 접촉시켜 하나 이상의 생성물을 형성하는 단계, 및 접촉 단계 동안 상 변화 물질의 적어도 일부를 응고시키는 단계를 포함한다. 열전달 매체는 상 변화 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 이동층 반응기(moving bed reactor)는 하우징(housing), 하우징 내에 배치된 코어 섹션(core section), 코어 섹션 내에 배치된 제1 열전달 매체, 하우징 내에 배치된 환형 섹션(annular section), 환형 섹션 내에 배치된 제2 열전달 매체, 및 반응기 벽(reactor wall)을 포함한다. 반응기 벽은 하우징 내에 배치되고, 반응기 벽은 코어 섹션과 환형 섹션 사이에 배치되어 코어 섹션 및 환형 섹션을 정의(define)한다.
이들 및 다른 특징은 첨부 도면 및 청구 범위와 함께 주어지는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 발명 및 본 발명의 장점을 더 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부 도면 및 상세한 설명과 관련하여 주어지는 다음의 간략한 설명을 참조하며, 유사한 참조 번호는 유사한 부품을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 일부 실시예에 따른 상 변화 물질을 함유하는 열전달 매체의 개략적인 단면을 도시한다.
도 2a는 500 ℃ 내지 1500 ℃의 온도 범위에서 주로 발생하는 전환율을 보여주는 평형 메탄 열분해 전환율 대 온도 등압선의 예시적인 플로팅을 도시한다.
도 2b는 감열(sensible heat)만을 전달하는 매체(Al2O3) 및 상 변화 물질(PCM)을 함유하는 고체 매체를 사용하는 역류 이동층 반응기에 대한 고체 매체 온도 대 반응기 높이의 예시적인 플로팅을 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따른 반응기의 개략도를 도시한다.
도 4는 일부 실시예에 따른 반응기의 다른 개략도를 도시한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 반응기의 또 다른 개략도를 도시한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 반응 공정의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 일부 실시예에 따른 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용하는 반응기의 모델링 결과를 도시한다.
도 8은 일부 실시예에 따른 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용하는 반응기의 추가적인 모델링 결과를 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용하는 반응기의 모델링 결과를 도시한다.
도 10은 일부 실시예에 따른 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용하는 반응기의 모델링 결과를 도시한다.
도 11은 일부 실시예에 따른 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용하는 반응기의 추가적인 모델링 결과를 도시한다.
도 12는 일부 실시예에 따른 반응 시스템에 열을 전달하기 위해 사용되는 PCM의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 13a 내지 도 13f는 예시에서 기술된 바와 같은 PCM을 함유하는 열전달 매체에서 제거되는 탄소의 사진을 도시한다.
수증기 메탄 개질과 관련된 문제를 해결하기 위해, 다양한 형태의 탄화수소 열분해가 반응기에서 수행될 수 있다. 열분해 반응기와 같은 반응기에서 수행되는 고온 반응을 위한 새로운 열전달 매체가 본 명세서에 개시된다. 또한, 고온 탄화수소 열분해 반응을 포함하는 고온 반응과 같은 다양한 반응에 사용될 수 있는, 다수의 동심 이동층을 사용하는 새로운 반응기 구성이 개시된다. 열분해 반응과 관련하여 일부 양태에서 설명하기는 하지만, 본 명세서에 개시된 반응기 및 매체 구성은 고온에서 작동하는 모든 반응기에 적용될 수 있다.
일부 양태에서, 본 발명은 이동층 반응기에서 탄화수소 열분해를 수행하기 위한 시스템 및 물질에 관한 것이다. 이동층 반응기는, 일부 상황에서는 상 변화 물질(PCM)이라고 지칭될 수 있는, 상 변화 물질 또는 매체를 갖는 열전달 매체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 열전달 매체는 불연속상의 상 변화(예를 들어, 액체에서 고체로)를 기반으로 하여 일정 온도에서 또는 온도 범위에서 더 많은 양의 열을 제공하는 이점이 있는 것으로 기술되는 불연속상으로 둘러싸인 PMC를 갖는 고체 매트릭스를 포함할 수 있다. 매체는 페블 간 가교(pebble-to-pebble bridging)를 통해 응집체 형성을 방지하고 장기(> 100 회) 재활용을 허용하는 코어를 위한 비교적 큰 비소모성 고체 매체를 포함할 수 있다.
또한, 반응기 구성은 고온 반응을 고려하여 제공된다. 일부 양태에서, 내부 반응기 벽(예를 들어, 고체 내부 배럴(barrel))에 의해 분리된 환형 이동층을 통해 압력 용기 바운더리(boundary)에서 고온의 코어 매체를 물리적으로 분리하는 코어/환형 반응기 구성이 개시된다. 기계적 메커니즘 없이 가스 흐름을 유도하기 위해 코어 내에서의 낮은 압력 강하 및 환형 내에서의 비교적 높은 압력 강하를 갖도록 코어/환형 매체의 크기 분포 및 공극률(void fraction)의 조정을 통해 코어 및 환형을 통한 가스상(gas phase) 흐름을 제어한다. 반응기 내에서, 가스상 흐름의 제어는 반응기 구역을 통과하지 않고 환형 구역을 통한 원하지 않는 반응물 탄화수소 운반을 감소시키기 위해 환형 매체 바이패스에서 하나 이상의 압박부(constriction) 또는 다른 가스 흐름 감소 수단을 사용하여 달성될 수 있다. 이는 능동 또는 이동 밸브가 필요 없는 가스 흐름의 수동 제어를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 본 명세서에 개시된 구성은 가열 요소 표면 상에서의 탄소 증착을 완화하기 위해 고체 매체 가열 요소에 대한 차폐 가스 사용을 포함할 수 있다.
또한, 일부 양태에서는 본 명세서 개시된 반응기 구성 중 어느 하나를 사용할 수 있는, 고체 탄소 및 수소 가스를 생성하기 위해 탄화수소의 비-산화적 탈수소화를 수행하기 위한 방법이 개시된다. 고체 탄소의 증착 및 반응물 가스로의 열전달을 위해 이동층을 사용하는 방법이 개발되었다. 이들 시스템과 관련된 핵심 기술 과제는 대량의 고온 열전달 매체의 봉쇄 및 운반이다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 코어/환형 구성을 사용하면 압력 용기 바운더리로부터 고온의 고체 매체를 격리시킬 수 있다. 일부 양태에서, 열전달 매체에서 상 변화 물질(PCM)을 사용하면 운반할 필요가 있는 물질의 부피를 크게 감소시킨다. 추가 요소들은 이동층 탄화수소 열분해 반응기 시스템의 실제 구현과 관련된 다른 기술적 문제들을 해결한다.
고온 반응기 내에서, 가열기 표면과 탄소 함유 반응물이 접촉하면 가열기 표면 상에 탄소 증착물(예를 들어, 코크스)이 형성될 수 있다. 따라서, 가열기와 반응물의 직접 접촉은 반응기 내에서의 작동 문제를 일으킬 수 있다. 코킹(coking) 문제를 방지하기 위해, 가열기 요소에서 반응 구역으로 열을 운반하기 위한 열전달 매체가 사용될 수 있다. 가열기 요소는 이때 코크스 형성을 방지하기 위해 탄소를 포함하는 반응물과의 직접 접촉을 방지할 수 있다. 고온 반응의 경우, 고체 물질과 같은 열전달 매체에 의해 운반될 수 있는 열의 양에는 실질적으로 한계가 있다. 이때, 더 높은 반응 속도는 예를 들어 이동층 구성에서 반응기를 통해 더 높은 운반 속도를 요구할 수 있다.
또한, 이동층 탄화수소 열분해 반응기에서 고체 매체의 목적은 정적 고체 열전달 표면 상에서의 코킹(예를 들어, 탄소 증착)을 방지하면서 주어진 열원으로부터 반응물 탄화수소 가스 스트림으로 열을 전달하는 것이다. 생성물 수소의 충분한 단일 패스 수율을 달성하는데 필요한 고온 및 대부분의 탄화수소 열분해 반응에 대한 큰 흡열을 고려할 때, 많은 양의 고온 열이 필요하다. 물질 및 공학 제약은 주어진 매체가 반응기를 통과하는 동안 소량의 열만 반응물 가스에 전달되는 폐쇄 시스템 반응기 환경에서 물질이 경제적으로 가열되어 운반될 수 있는 온도를 실질적으로 제한한다.
이들 문제를 해결하기 위해, 상 변화 물질(PCM)을 함유하는 열전달 매체가 본 명세서에서 기술된다. 상 변화 물질을 함유하는 고체 매체를 사용하면 대량의 고온 열을 열전달 매체에 저장하고, 반응 구역에 전달하고, 공학 설계 제한 아래의 최대 매체 온도를 유지하면서 반응기에 방출할 수 있다. PCM 물질의 선택은 물질이 응고되고 열을 방출할 수 있는 온도 또는 온도 범위를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이는 반응기 설계를 기반으로 하여 반응 구역 내의 특정 온도를 선택할 수 있게 한다.
또한, 열전달 매체는 반응기에서의 열 소모 및 매체로의 열 입력에 대한 시간적 프로파일을 변화시키기 위한 열에너지 저장을 위해 사용될 수 있다. 열전달 매체는, 본 명세서에 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 중간 열전달 매체의 역할을 하거나 반응 가스에 열을 전달하기 위해 반응기에 직접 공급될 수 있다. 중간 열전달 매체 역할을 할 때, 기본적인 열전달 매체는 고체, 액체 또는 기체일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 PCM(33)을 갖는 열전달 매체(32)의 실시예를 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 열전달 매체(32)는 연속상(continuous phase)을 형성하는 매트릭스 물질(34)을 가질 수 있다. PCM(33)은 열전달 매체(32) 내에 불연속상을 형성할 수 있다. PCM은 매트릭스 물질(34) 내에 배치된 PCM의 입자 또는 조각 형태일 수 있다. PCM은 상이한 크기를 갖는 요소로서 존재할 수 있고, 상이한 입자는 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 열전달 매체(32)로부터 열이 방출되는 온도 범위를 제공하기 위해 상이한 조성이 사용될 수 있다.
도 1b는 PCM(39)이 매트릭스 물질(37) 내에서 PCM(39) 주위에 물질 쉘(material shell)(38)을 갖는 것을 제외하고 도 1a와 유사한 열전달 매체(35)를 도시한다. 물질 쉘은 열전달 매체(35) 내에 액체 형태로 PCM 물질을 유지하기 위해 배열된 상대적으로 단단한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 추가 외부 쉘(36)이 매트릭스 물질(37) 주위에 존재할 수 있다. 외부 쉘(36)은 열전달 매체(35)가 이동층 반응기 내에서 이동하거나 순환할 때 열전달 매체(35) 분해 방지를 돕기 위해 반응 온도에서 그 물리적 특성을 유지할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 외부 쉘(36)은 모든 적합한 고온 물질을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 외부 쉘(36) 및/또는 물질 쉘(38)은 탄소, 탄화 규소, 실리카 및/또는 알루미나를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 열전달 매체의 모든 구성에서 PCM 물질은 탄화수소 열분해 반응이 발생하기에 충분한 온도에서 잠열(latent heat)을 방출하기 위해 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 녹는점을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 적합한 상 변화 물질(들)은 다음의 요소 즉, Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 이들의 합금, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 반응에 유용한 원하는 녹는점 또는 녹는점 범위를 제공하는 물질이 선택될 수 있다. 일부 양태에서, 상 변화 물질은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합을 포함하는 관심이 있는 다중 원소 시스템일 수 있다. 일부 양태에서, 적합한 매트릭스 물질(들)은 탄소 및/또는 다음의 요소 즉, B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 다수의 PCM 구역 또는 입자가 열전달 매체에 존재할 수 있다. 열전달 매체 내에 있는 각각의 PCM 물질 입자의 조성은 동일하거나 상이할 수 있다. 상이한 물질의 사용은 상이한 녹는점 또는 녹는 범위를 제공할 수 있다. 일부 양태에서, 열전달 매체는 하나 이상의 조성을 갖는 PCM을 갖는 입자를 포함할 수 있고, 제2 또는 상이한 입자는 하나 이상의 조성을 갖는 PCM을 가질 수 있다. 이는 상이한 녹는점 또는 녹는점 범위를 갖는 PCM 물질의 사용을 통해 상이한 입자내에 있는 PCM 혼합물을 사용하여 원하는 온도 범위에서 열을 방출할 수 있게 한다. 일부 양태에서, 상 변화 물질은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상 변화 물질은 염(salt)을 포함할 수 있다.
사용 시, 열전달 매체는 원하는 온도까지 가열될 수 있고, 최종 온도는 열전달 매체 내 PCM의 녹는점보다 높다. 가열하는 동안, PCM은 녹아서 액상(liquid phase)을 형성함으로써 열을 저장할 수 있다. 생성된 액상은 액상을 둘러싸고 있는 매트릭스상 및/또는 쉘을 기반으로 하여 열전달 매체 내에 유지될 수 있다. 반응 구역에서 사용될 때, 열전달 매체는 녹는점에 도달할 때까지 감열(sensible heat)을 방출할 수 있다. 녹는점에서 또는 녹는점 범위에서, PCM은 응고되어 잠열(latent heat)을 방출할 수 있다. PCM이 완전히 응고되면, 열전달 매체는 열전달 매체가 반응기를 빠져나가거나 온도가 반응이 발생할 수 있는 온도 아래로 떨어질 때까지 다시 감열을 방출할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 탄화수소 열분해 반응기의 반응 전환율은 압력 및 온도에 따라 달라진다. PCM의 녹는점 또는 녹는 범위의 온도는 원하는 전환율과 함께 반응기의 온도 및 압력을 기반으로 하여 선택될 수 있다.
감열만 전달하는 열전달 매체와 비교할 때, PCM은 두 가지 주요 이점을 제공한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, PCM 열전달 매체는 대량의 열이 고온에서 전달될 수 있는 (예를 들어, 도 2b에서 구역 1로 표시된) 비교적 등온인 구역을 생성한다. 또한, PCM 함유 매체는 (예를 들어, 도 2b에서 차이 2로 도시된 바와 같이) 감열 전용 매체보다 낮은 온도에서 반응기 구역에서 제거된다. 열전달 매체에 PCM을 포함시킨 결과, PCM을 갖지 않는 열전달 매체에 필요한 것보다 더 낮은 유입 온도로 더 많은 열이 반응 구역에 전달될 수 있고, 순환 또는 운반하는 동안 열전달 매체를 더 쉽게 취급할 수 있도록 유출구 온도를 낮출 수 있다.
또한, 코어 섹션 주위에 동심으로 배치된 환형 섹션을 갖는 이동층 반응기가 본 명세서에 개시된다. 일반적으로, 탄화수소 열분해 반응에서 높은 단일 패스 수소 수율을 달성하기 위해서는 약 1000 ℃ 이상의 온도가 필요하다. 고온에서의 고체 매체 봉쇄는 매체와 금속 압력 용기 바운더리 사이의 온도를 낮추는 내부 단열 또는 다른 수단을 필요로 한다. 고체 매체로의 열전달, 반응 구역에서 고체 매체에서 반응물 가스로의 열전달, 생성물 가스 스트림으로부터의 열 회수, 및 단일 용기로의 반응물 가스 예열을 위해 사용되는 이동층을 통합함으로써, 이들 4개 단위 공정을 위한 이동층이 그들 자체 용기에 하우징되는 구성과 비교할 때 반경 방향 및 축 방향 압력 용기 바운더리에서 고체 매체 및 가스 스트림의 온도는 낮아질 수 있다.
또한, 단일 용기로의 이동층 통합은 단위 공정들 간의 가스 스트림 및 고체 매체의 운반을 위한 파이프 및 도관을 감소시키거나 제거하는 이점을 제공한다. 고온 탄화수소 가스 스트림의 운반은 탄화수소가 분해되어 금속 표면 상에 탄소를 증착시키는 경향이 있기 때문에 어렵다. 이송 파이프 및 도관을 감소시키거나 제거함으로써, 고체 매체 및 가스 스트림은 에너지 효율성의 이점을 제공하는 더 높은 온도에서 이송될 수 있다.
코어/환형 구성이 고체 매체 흐름에 대해 가로 놓인 바운더리를 따라 이동층의 완전한 캡슐화를 허용하는 반면에, 부분 캡슐화만 허용하는 구성이 유사한 이점을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 동일 용기 내에 포함되지만 수직 칸막이로 분리된 2개의 층(bed)을 가지면 단위 공정들 사이에서 고체 매체 및 가스 스트림의 운반을 위한 파이프 및 도관을 또한 감소시키거나 제거할 수 있다.
4개 단위 공정을 위한 이동층 통합과 관련된 과제 중 하나는 일반적으로 매우 높은 온도 작업에 적합하지 않은 기계 장치 사용 없이 (환형 섹션 내의) 가스 예열기 구역에서 반응 구역(코어 섹션)으로 및 가스 열 회수 구역(환형 섹션)으로 다시 반응물 가스 스트림을 유도하는 것이다. 본 명세서에 개시된 설계는 환형 매체 바이패스 구역(예를 들어, 환형 섹션)에서 가스 흐름에 대한 저항을 증가시키기 위해 상이한 크기 매체 및 물리적 구조를 사용할 수 있다. 아래에 도시된 어건(Ergun) 방정식은 충전된 매체 컬럼에서의 가스 압력 강하를 계산하기 위해 사용되고, 여기서,
Figure pct00001
는 압력 강하,
Figure pct00002
는 동적 점도,
Figure pct00003
는 공극률(다공성),
Figure pct00004
는 공탑 가스 속도(superficial gas velocity),
Figure pct00005
는 가스 밀도,
Figure pct00006
는 충전(packing)의 등가 구형 직경, 및 L은 층(bed)의 길이이다.
Figure pct00007
공탑 가스 속도는 다음과 같이 정의되고, 여기서,
Figure pct00008
는 가스 부피 유속이고, A는 컬럼 단면적이다.
Figure pct00009
코어에서 환형까지의 가스 전달을 위한 압력 강하를 무시한다고 가정하면, 코어 및 환형을 가로지르는 압력 강하는 동일할 것이다. 공탑 가스 속도의 정의와 어건(Ergun) 방정식을 결합하고 부피 가스 유속에 대해 풀기 위해 재정렬하면 다음의 수식을 얻고,
Figure pct00010
관심있는 기하 구조 및 흐름 체제에서 주어진 일련의 흐름 매개변수에 대해, 가스 부피 유속은 A에 정비례하고,
Figure pct00011
에 정비례하고,
Figure pct00012
에 반비례한다. 따라서, 환형 이동층 설계 변수 A,
Figure pct00013
, 및
Figure pct00014
는 코어에 비해 환형에서의 가스 부피 유속을 감소시키기 위해 조정될 수 있다. 또한, 정적 구조 기능은 가스 흐름을 추가로 제한하기 위해 환형에 통합될 수 있다.
전반적으로, 열전달 매체 크기, 열전달 매체 크기 분포, 환형 단면적, 및 흐름 제한 기능을 조정하는 조합은 기계 장치(예를 들어, 밸브, 노즐, 오리피스 등) 사용 없이 코어 내의 반응 구역을 통해 가스 흐름의 > 90 %를 유도할 수 있게 한다.
고체 매체를 가열하는 것과 관련된 다른 과제는 모든 가열 요소 표면에서의 탄소 증착 방지이다. 고체 매체가 다른 용기에서 가열되어 반응기로 이송되는 동안, 이러한 유형의 공정은 매우 높은 온도의 고체 매체 운반을 필요로 한다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 열전달 매체는 본 명세서에 기술된 바와 같이 반응기 내에서 가열될 수 있다. 그러나, 이러한 설계는 반응물 가스의 일부가 가열 요소와 접촉하도록 허용하여 잠재적으로 가열 요소에 코크스를 형성할 수 있다. 공정의 일부로서, 재활용된 수소 가스 생성물의 일부 또는 불활성 차폐 가스와 같은 블랭킷 가스(blanket gas)가 고체 매체 가열기 구역으로의 탄화수소 흐름을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 차폐 가스(shielding gas)는 다음의 종 즉, H2, CO2, CO, N2, H2O, 및 Ar을 포함하지만 이에 국한되지 않는 모든 가스일 수 있다. 차폐 가스는 독립적으로 공급되거나 분리 단계 전 또는 후에 생성물 가스의 부분 재순환을 포함할 수 있다.
사용 시, 차폐 가스가 반응 구역을 빠져나가기 전에 가열 요소를 통과하도록 하는 방식으로 차폐 가스를 반응기에 주입할 수 있다. 차폐 가스의 압력 및 유속은 가열 요소와 탄소를 함유하는 모든 반응물 가스 사이의 접촉을 감소시키거나 제거하기 위해 선택 및 제어될 수 있다. 이는 가열 요소 자체에 탄소가 증착되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 차폐 가스는 이후 생성물 가스와 함께 반응기 밖으로 빠져나갈 수 있다. 불활성 가스가 사용되는 경우, 불활성 가스는 생성물과 분리되어 재사용되거나 시스템에서 제거될 수 있다. 재활용된 생성물 가스(예를 들어, 수소)가 사용되는 경우, 수소는 생성물 가스와 함께 처리될 수 있다.
이동층에서의 탄화수소 열분해와 관련된 두 가지 과제는 층 열전달 매체로부터의 고체 탄소 분리 및 입자간 가교를 통한 반응기 구역에서의 고체 열전달 매체 응집 방지를 포함한다. 고체 열전달 매체의 응집은 2개의 입자를 단단하게 연결하기 위해 필요한 결합 강도의 감소로 인해 입자 크기가 감소할 때 증가하는 경향이 있다. 큰(예를 들어, > 1 ㎝ 직경, > 2 ㎝ 직경 등) 고체 열전달 매체 입자 크기를 사용함으로써, 2개의 입자를 영구적으로 부착시키기 위해 필요한 결합 강도가 크게 증가한다.
일부 경우에, 열전달 매체는 공정에서 소비되고 탄소와 함께 폐기될 수 있다. 이로 인해 상당한 운영 비용이 발생할 수 있다. 큰 고체 매체 사용은 증착된 탄소가 예를 들어 치즐링(chiseling), 분쇄(grinding), 그레이팅(grating), 또는 고체 탄소를 표면에서 물리적으로 제거하는 다른 방법을 통해 개별 입자/페블 기준으로 공격적인 수단에 의해 제거될 수 있다는 추가적인 이점을 갖는다. 일부 양태에서, 고체 열전달 매체는 약 0.01 인치 내지 10 인치, 또는 약 0.25 인치 내지 8 인치의 직경을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 고체 매체는 1 ㎝ 보다 큰, 2 ㎝ 보다 큰, 또는 3 ㎝ 보다 큰 직경을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 고체 매체는 충전율(packing factor)을 달성하기 위해 다수의 크기를 포함할 수 있고, 환형 섹션에 있는 고체 매체는 코어 섹션에 있는 고체 매체와 상이한 크기를 가질 수 있다.
도 3은 환형 섹션의 이동층 바닥에 있는 분배기를 통해 탄화수소 가스(1)가 도입되는 이동층 반응기의 개략도를 도시한다. 탄화수소 가스(1)는 약 0 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 도입될 수 있다. 탄화수소 가스(1)는 환형 섹션 이동층과 코어 섹션 이동층 사이의 열전달을 기반으로 하여 하부 가스 예열기 구역(2)에서 예열될 수 있다. 탄화수소 가스는 400 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 가열될 수 있다.
가열된 반응물 가스는 이후 매니폴드(3)를 통해 코어 섹션의 코어 층으로 이송되거나 전달될 수 있다. 열전달 매체 및 가스 스트림 모두 단일 압력 용기 또는 하우징(4) 내에 포함될 수 있다. 코어 및 환형 이동층은 반응기 벽(때때로 코어 배럴 또는 고체 분리기라고 불림)(5)을 통해 분리될 수 있다. 환형 섹션에 있는 고체 열전달 매체는 환형 열전달 매체 바이패스(6)를 통해 가스 열 회수 구역(2)에서 가스 예열기 구역으로 공급될 수 있다.
반응물 가스 흐름은 환형 섹션에서 하나 이상의 압력 제한을 사용하여 반응 구역을 통해 유도될 수 있다. 예를 들어, 흐름 압박 장치(flow constrictor)(7) 및 정적 고체 가스 흐름 제한 장치(8)는 환형 매체 바이패스를 통해 가스 흐름을 제한하기 위해 사용될 수 있다. 흐름 압박 장치(7)는 환형 섹션 내의 흐름 단면적의 감소 면적을 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 가스 부피 유속은 컬럼 단면적에 정비례한다. 따라서, 흐름 단면적 감소는 환형 층을 통한 가스 부피 유속을 감소시키는 효과가 있다. 마찬가지로, 가스 흐름 제한 장치(8)는 환형 섹션에 있는 열전달 매체가 이동층으로서 이동하도록 여전히 허용하면서 환형 섹션을 통한 가스 흐름 저항을 증가시키는 역할을 한다. 또한, 환형 구역에 있는 열전달 매체의 특성 선택은 환형 섹션을 통한 흐름에 대한 압력 강하 또는 저항을 더 증가시켜 코어 섹션의 반응 구역을 통해 반응물 스트림을 유도하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 환형 섹션의 열전달 매체는 코어 섹션의 열전달 매체보다 작은 입자 크기를 가질 수 있다.
탄화수소 가스는 탄화수소를 열분해하기에 적합한 온도 및 압력에서 코어 섹션에 있는 열전달 매체와의 접촉을 기반으로 하여 반응기 구역(9)에서 열분해되어 수소 및 고체 탄소를 형성할 수 있다. 모든 미반응 탄화수소 가스와 함께 생성물 가스는 다른 도관 매니폴드(10)를 통해 환형 섹션의 환형 층으로 다시 이송되거나 전달될 수 있다. 생성물은 약 800 ℃ 내지 1300 ℃의 온도에서 환형 섹션으로 다시 전달될 수 있다. 고온의 생성물 가스는 0 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 용기(12)를 빠져나가기 전에 환형 섹션 하부로부터의 재활용 열전달 매체를 접촉시키는 단계를 기반으로 하여 상부 환형 이동층(11)에서 냉각될 수 있다. 고체 탄소 생성물은 코어 열전달 매체, 환형 열전달 매체에 증착되거나 생성물 가스 스트림에 혼입된 상태로 남아 있을 수 있다.
코어 열전달 매체는 약 800 ℃ 내지 1300 ℃ 또는 약 500 ℃ 내지 1500 ℃의 온도까지 가열 요소(14)를 통해 코어 매체 가열기 구역(13)에서 가열될 수 있다. 코어 섹션의 열전달 매체는 본 명세서에 기술된 바와 같은 PCM을 포함하는 모든 열전달 매체를 포함하여 모든 열전달 매체를 포함할 수 있다. 불활성 차폐 가스는 가스 유입구(15)를 통해 코어 섹션의 상부에 공급될 수 있다. 고체 매체는 400 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 고체 매체 유입구(16)를 통해 코어 섹션에 공급될 수 있다. 고체 매체는 0 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 고체 매체 유입구(17)를 통해 환형 섹션에 공급될 수 있다. 환형 열전달 매체는 엘리베이터(18)와 같은 열전달 매체 컨베이어를 통해 재순환될 수 있다. 열전달 매체는 기계식으로 및/또는 공압식으로 전달될 수 있다. 이러한 실시예에서, 환형 열전달 매체를 들어올리기 위해 스크루 오거(screw auger)(19)가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 코어 열전달 매체는 컨베이어 또는 엘리베이터(20)를 통해 재순환될 수 있다. 코어 열전달 매체는 기계식으로 및/또는 공압식으로 전달될 수 있다. 이러한 실시예에서, 코어 열전달 매체를 들어올리기 위해 스크루 오거(21)가 사용될 수 있다. 환형 열전달 매체는 0 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 환형 섹션(22)을 빠져나가 열 교환기(23)를 통과할 수 있다. 열 교환기(23)는 0 ℃ 내지 700 ℃의 온도까지 매체 온도를 낮출 수 있다. 열 교환기를 떠나는 매체는 고체 탄소가 고체 탄소 스트림(25)으로서 제거될 수 있는 탄소 분리기(24)에 공급될 수 있고, 고체 환형 열전달 매체는 재활용될 수 있다. 코어 열전달 매체는 400 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 코어 섹션(26)을 빠져나가 탄소 분리기(27)로 들어갈 수 있다. 고체 탄소는 스트림(28)으로서 열전달 매체로부터 제거될 수 있고 고체 열전달 매체는 재활용될 수 있다. 생성물 가스 유출구(12)를 통해 반응기를 빠져나가는 생성물 가스 스트림은 사이클론(cyclone), 백 필터(bag filter), 및/또는 전기 집진기(electrostatic precipitator)와 같은 탄소 분리기(29)로 들어갈 수 있다. 탄소 생성물 스트림(30)은 제거될 수 있고, 나머지 가스 스트림은 가스 스트림(31)으로서 생산될 수 있다. 일부 양태에서는 가스 스트림(31)에서 고체 미립자가 제거될 수 있고, 일부 양태에서는 가스 스트림(31)이 차폐 가스의 선택 및 반응기 구역에서의 반응 정도에 따라 실질적으로 순수한 수소를 포함할 수 있다.
도 4는 일반적으로 도 3과 동일하지만 상 변화 물질(PCM)을 함유하는 코어 매체에 대한 확대도가 추가되었다. 코어 매체 페블(pebble)의 형태일 수 있는 열전달 매체(32)는 고체 매트릭스(34) 내에 또는 그 주위에 PMC(33)를 함유한다. 일부 양태에서, 코어 섹션 및/또는 환형 섹션에 있는 열전달 매체는 본 명세서에 기술된 바와 같은 PCM을 함유하는 열전달 매체를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 환형 섹션에 있는 열전달 매체의 온도 프로파일은 코어 섹션에 있는 열전달 매체의 온도 프로파일보다 낮을 수 있고, PCM으로 사용되는 물질의 선택은 열전달 매체마다 다를 수 있다. 환형 섹션에서 더 낮은 온도를 사용하면 환형 층을 통과할 수 있는 모든 생성물의 코크스 양을 줄일 수 있다.
또한, 도 5는 도 3과 동일하지만 PCM을 함유하는 코어 매체에 대한 하나의 상세한 실시예를 보여주는 상 변화 물질을 함유하는 코어 매체의 확대도가 추가되었다. 코어 매체 페블(35)은 탄소, 탄화 규소, 실리카 또는 알루미나를 포함하지만 이에 국한되지 않는 물질로 구성되는 단단하고 내구성이 있는 쉘(36)을 가질 수 있다. 쉘 내에 함유된 고체 매트릭스(37)는 하나 또는 여러 개의 캡슐화된 PCM 펠릿을 둘러싸고 있다. 캡슐화된 PCM 펠릿은 내구성이 있는 코팅 쉘(38) 내에 함유된 PCM(39)으로 구성된다.
도 6은 이동층 반응기에서 발생하는 다양한 공정을 보여주는 공정 흐름도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 반응물 가스(예를 들어, 탄화수소를 포함하는 가스)는 환형에 있는 가스 예열 구역에 공급될 수 있다. 또한, 환형 열전달 매체는 열전달 매체에서 반응물 가스로 열을 전달하기 위해 가스 예열 구역에 공급될 수 있다. 이후, 예열된 가스는 반응 구역으로 전달될 수 있고, 반응 구역에서 제2 열전달 매체는 예열된 반응물 가스와 접촉하여 반응물 가스의 적어도 일부를 수소 및 탄소로 전환할 수 있다. 반응 구역에서 사용되는 제2 매체는 제2 열전달 매체가 반응 구역으로 들어가기 전에 예열될 수 있는 고체 가열기 구역으로부터 반응 구역으로 이동할 수 있다. 또한, 수소와 같은 블랭킷 가스가 반응물 가스와 제2 열전달 매체의 접촉을 제한하기 위해 고체 가열기 구역으로 공급될 수 있다. 생성물 및 모든 미반응 반응물 가스는 반응기 구역을 빠져나가 환형에 있는 가스 냉각기 구역으로 이동할 수 있다. 이후, 가스는 모든 고체 탄소를 제거하고 가스를 분리하기 위해 반응기 밖으로 빠져나갈 수 있다.
반응기 구역을 빠져나가는 제2 열전달 매체는 고체 가열기 구역으로 재활용되기 전에 냉각될 수 있다. 제1 열전달 매체는 가스 냉각기 구역에 존재할 수 있고 가스 예열기 구역으로 이동하기 전에 바이패스를 통과할 수 있다. 열 교환기는 원하는 온도에서 외부 쉘 또는 반응기 용기를 유지하기 위해 제1 열전달 매체를 냉각시키기 위해 제1 열전달 매체를 접촉시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 외부 반응기 용기가 코어 구역보다 낮은 온도에서 유지될 수 있게 한다.
도 7a 및 도 7b는 도 3에 도시된 바와 같은 시스템을 사용한 도시된 바와 같은 조건에 대한 모델링 결과를 도시한다. 이러한 모델은 90 % 전환율, 10 bar의 압력, 10 m의 반응 섹션 길이, 1200 ℃의 유입구 매체 온도, 600 ℃의 유입구 가스 온도, 및 10 mol H2/m3-s의 부피 평균 반응 속도를 기반으로 한다. 이러한 모델에서, 코어 열전달 물질은 PCM 물질을 포함한다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, PCM은 온도를 점차적으로 떨어뜨리는 고체 열전달 매체와 비교할 때 높은 온도 및 높은 반응 속도의 등온 영역을 초래한다. 또한, 모델은 비교 대상인 비-PCM 열전달 매체보다 약 200 ℃ 낮은 온도에서 열전달 매체가 반응 구역 및/또는 코어 섹션에서 제거될 수 있음을 보여준다. 이는 탄소 제거 및 열전달 매체 취급이 보다 쉽고 안전하게 작동할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 8은 반응 구역에서 10초의 가스 체류 시간을 갖는 열전달 매체 층에서의 전환율 대 가스 속도에 대한 모델링 결과를 도시한다. 모델링 결과는 그 외에는 도 7a 및 도 7b와 관련하여 기술된 것과 동일한 입력을 사용하였다. 결과는 비교 대상인 비-PCM 열전달 매체보다 약 200 ℃ 내지 250 ℃ 낮은 온도에서 열전달 매체가 반응 구역 및/또는 코어 섹션에서 제거될 수 있음을 추가로 보여준다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같은 결과는 열전달 매체의 유속이 상당한 양만큼 감소될 수 있음을 보여준다. 일부 양태에서, PCM 함유 열전달 매체를 사용하면 비-PCM 함유 열전달 매체의 유속과 비교하여 반응 구역을 통한 열전달 매체 유속을 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배보다 크게 또는 약 8배 만큼 감소시킬 수 있다. 반응 구역을 통한 열전달 매체의 유속 감소는 더 많은 양의 고체 탄소가 열전달 매체 상에 형성될 수 있음을 나타낸다. 탄소가 일정한 속도로 열전달 매체 상에 형성된다고 가정할 때, PCM 함유 열전달 매체를 사용하면 비-PCM 함유 열전달 매체의 유속과 비교하여 열전달 매체에 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배보다 크게 또는 약 8배 만큼 탄소가 축적될 수 있다. 이는 하류의 탄소 분리기에서 탄소를 열전달 매체 표면로부터 제거하는 데 도움이 될 수 있다.
도 9 및 도 10은 반응 구역을 통한 열전달 매체의 질량 유속 감소와 함께 유출구 온도 감소를 보여주는 모델링 결과를 추가로 보여준다. 도 9는 도 7a 및 도 7b와 관련하여 기술된 것과 동일한 모델링 매개변수를 사용한다. 도 9의 모델링 결과는 잠재적인 반응 조건 및 열전달 매체 유속을 도시한다. 예로서, 모델링 결과는 5 mol CH4/m3-s(10 mol H2/m3-s)의 목표 부피 반응 속도가 각각 PCM 및 Al2O3를 사용하여 725 ℃ 및 925 ℃의 유출구 온도로 충족될 수 있음을 나타낸다. 또한, 10 mol H2/m3-s의 부피 평균 반응 속도에서, 매체의 질량 유속은 각각 FeSiB 및 Al2O3에 대해 0.75 kg/s/kta H2 및 5.9 kg/s/kta H2이다.
도 10은 85 % 전환율, 10 mol H2/m3-s의 부피 평균 반응 속도, 1200 ℃의 유입구 매체 온도 및 600 ℃의 유입구 가스 온도를 갖는 10 미터 반응기를 기반으로 하는 모델링 결과를 보여준다. 예로서, 층 속도는 85 % 전환율을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이전과 같이, PCM을 사용하였을 때 유출구 고체 층 온도는 ~ 210 ℃ 내지 240 ℃ 더 낮았고 고체 열전달 매체 유속은 7.5배 내지 9배 감소하였다. 압력은 각각 FeSiB 및 Al2O3에 대해 1 C/bar 및 2.5 C/bar 만큼 Tmedia,out를 감소시켰다. 압력은 각각 FeSiB 및 Al2O3에 대해 0.0006 cm/s/bar 및 0.019 cm/s/bar 만큼 층 속도를 감소시켰다.
또한, 도 11은 PCM을 포함하는 열전달 매체를 사용했을 때 유출구 온도가 감소함을 보여주는 모델링 결과를 보여준다. 또한, 도 11은 유입구 가스 온도가 증가함에 따른 반응기에 대한 열 부하(heat duty) 감소를 나타낸다. 공급물 예열 구역 및/또는 공급물 열 교환기의 사용은 시스템의 전체 열 부하를 감소시키기 위해 반응 구역에 공급물을 도입하기 전에 공급물 온도를 증가시키는 데 유용할 수 있다. 예로서, PCM을 열전달 매체와 함께 사용할 때 Tmedia,out는 ~ 200 ℃ 내지 400 ℃ 더 낮았다. 유입구 가스 온도가 100 ℃ 증가할 때마다 반응기 열 부하는 0.06 MW/kta H2 감소한다. 반응기 열 부하는 대략적으로 1.1 MW/kta H2 내지 1.25 MW/kta H2가 되도록 모델링된다.
도 12는 열에너지 저장을 위해 PCM 열전달 매체를 사용하는 공정 흐름도를 도시한다. 이러한 실시예에서, PCM 열전달 매체는 용기에 고정되어 있다. 기본 열전달 매체는 PCM 열전달 매체와 열을 교환한다. 기본 열전달 매체는 반응 가스에 열을 전달한다. 기본 열전달 매체는 고체, 가스 또는 액체일 수 있다. PCM 열전달 매체는 PCM 열전달 매체로부터의 열 입력 및 추출이 상이한 위치에서 발생하도록 열전달 루프를 통해 운반되거나 고정된 상태로 유지될 수 있다. 이러한 시스템 내에서, PCM을 함유하는 열전달 매체의 층은 거의 일정한 온도에서 기본 열전달 매체에 대한 일관된 열원을 보장할 수 있다. 이러한 실시예는 공정에 의한 열 소모 및 시스템에 대한 열 입력의 디커플링을 허용한다. 예를 들어, PCM을 함유하는 열전달 매체는 가열기에 의해 공급되는 열의 변동을 완화하기 위해 시스템 내에서 열 축전기(heat capacitor) 역할을 할 수 있다.
예시
실시예를 일반적으로 기술하였지만, 다음의 예시는 본 발명의 특정 실시예로서 및 발명의 실시 및 장점을 보여주기 위해 제공된다. 예시는 실례로서 제공되는 것으로 어떠헌 방식으로든 명세서 또는 청구 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
도 13a 내지 도 13f는 탄소 증착 및 고체 매체로부터의 ex-situ 탄소 제거의 예시를 보여준다. 실시예는 메탄 흐름 하의 1200 ℃에서 작동되는 충전층 반응기에서 고체 알루미나 구체 상에 탄소를 증착시킴으로써 수행되었다. 탄소 코팅된 매체를 반응기에서 제거하였고 체질(sieving) 및 마멸(attrition)을 사용하여 매체 외부 표면에서 증착된 탄소를 제거하였다. 도시된 바와 같이, 체질을 통해 약 0.24 wt%의 탄소가 제거되었다. 제거된 탄소는 반응기 벽으로부터의 탄소 및 입자 상에 있는 거울과 같은 및 거울처럼 보이는 표면 탄소이었다. 마멸을 통해 세척된 볼(ball)은 40 그릿 사포를 사용하여 ¾ 파워(~2000 rpm)로 4.5" 휠 스피닝에서 처리되었다. 공정을 사용하여 1분 동안 처리한 후 무게를 재고 다시 5분 동안 처리한 후 무게를 재어 10개의 입자를 처리하였다. 다음의 표 1은 마멸을 통한 탄소 제거 가능성을 명백히 보여준다.
시험 손실 wt %
(1 분) 		손실 wt %
(5 분) 		손실 wt %
(체질 + 1 + 5 분)
1 0.25 0.51 1.00
2 0.17 0.19 0.60
3 0.08 0.24 0.56
평균 0.17 0.31 0.72
따라서, 결과는 체질(sieving) 및/또는 마모(abrasion)/마멸(attrition)을 이용하여 열전달 매체에서 탄소를 제거하는 능력을 명백히 보여준다.
다양한 시스템 및 방법을 기술했지만, 특정 양태는 다음을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.
제1 양태에서, 열전달 매체는 입자를 포함하고, 입자는 불연속상 및 매트릭스 물질을 포함하고, 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.
제2 양태는 제1 양태의 복합 매체(composite media)를 포함할 수 있고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에서 액체에서 고체로 상을 변화시키도록 구성된다.
제3 양태는 제1 양태 또는 제2 양태의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 녹는점을 갖는다.
제4 양태는 제1 양태 내지 제3 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 입자는 약 0.01 인치 내지 10 인치의 직경을 갖는다.
제5 양태는 제1 양태 내지 제4 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
제6 양태는 제1 양태 내지 제5 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함한다.
제7 양태는 제1 양태 내지 제6 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
제8 양태는 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 산화물을 포함한다.
제9 양태는 제1 양태 내지 제8 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 불연속상은 염(salt)을 포함한다.
제10 양태는 제1 양태 내지 제9 양태 중 어느 하나의 복합 매체를 포함할 수 있고, 입자는 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성된 매트릭스상 주위에 배치된 쉘 물질을 더 포함한다.
제11 양태는 제10 양태의 복합 매체를 포함할 수 있고, 쉘 물질은 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함한다.
제12 양태에서, 열전달 매체와의 반응을 수행하는 방법은 상 변화 물질을 포함하는 열전달 매체를 가열하는 단계; 열전달 매체를 가열하는 단계에 대응하여 열전달 매체 내의 상 변화 물질을 녹이는 단계; 열전달 매체와 반응물을 접촉시켜 하나 이상의 생성물을 형성하는 단계; 및 접촉 단계 동안 상 변화 물질의 적어도 일부를 응고시키는 단계를 포함한다.
제13 양태는 제12 양태의 방법을 포함할 수 있고, 반응물은 탄화수소를 포함하고, 하나 이상의 생성물은 탄소 및 수소를 포함한다.
제14 양태는 제12 양태 또는 제13 양태의 방법을 포함할 수 있고, 열전달 매체는 입자를 포함하고, 입자는 상 변화 물질을 포함하는 불연속상 및 매트릭스 물질을 포함하고, 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.
제15 양태는 제12 양태 내지 제14 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 접촉 단계는 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 온도에서 발생한다.
제16 양태는 제12 양태 내지 제15 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 녹는점을 갖는다.
제17 양태는 제12 양태 내지 제16 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 입자는 약 0.01 인치 내지 10 인치의 직경을 갖는다.
제18 양태는 제12 양태 내지 제17 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
제19 양태는 제12 양태 내지 제18 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함한다.
제20 양태는 제12 양태 내지 제19 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
제21 양태는 제12 양태 내지 제20 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 산화물을 포함한다.
제22 양태는 제12 양태 내지 제21 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 염(salt)을 포함한다.
제23 양태는 제12 양태 내지 제22 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 입자는 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성된 매트릭스상 주위에 배치된 쉘 물질을 더 포함한다.
제24 양태는 제23 양태의 방법을 포함할 수 있고, 쉘 물질은 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함한다.
제25 양태에서, 이동층 반응기는 하우징; 하우징 내에 배치된 코어 섹션; 코어 섹션 내에 배치된 제1 열전달 매체; 하우징 내에 배치된 환형 섹션; 환형 섹션 내에 배치된 제2 열전달 매체; 및 반응기 벽을 포함하고, 반응기 벽은 하우징 내에 배치되고, 반응기 벽은 코어 섹션과 환형 섹션 사이에 배치되어 코어 섹션 및 환형 섹션을 정의한다.
제26 양태는 제25 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 반응기는 하우징 내에 실(seal)을 형성하고, 실(seal)은 환형 섹션으로부터 코어 섹션을 분리한다.
제27 양태는 제25 양태 또는 제26 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 코어 섹션 내에서 제1 이동층을 형성한다.
제28 양태는 제25 양태 내지 제27 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 제2 열전달 매체는 환형 섹션 내에서 제2 이동층을 형성한다.
제29 양태는, 코어 섹션에 결합된 제1 운반 장치를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제28 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 운반 장치는 코어 섹션 하부에서 코어 섹션 상부로 제1 열전달 매체를 운반하도록 구성된다.
제30 양태는, 환형 섹션에 결합된 제2 운반 장치를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제29 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 제2 운반 장치는 환형 섹션 하부에서 환형 섹션 상부로 제2 열전달 매체를 운반하도록 구성된다.
제31 양태는, 코어 섹션 상부에 배치된 가열기를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제30 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 가열기는 코어 섹션 상부에서 제1 열전달 매체를 가열하도록 구성된다.
제32 양태는, 코어 섹션 하부에서 반응기 벽을 통해 환형 섹션에서 코어 섹션으로의 유체 연통을 제공하는 하부 가스 매니폴드; 및 코어 섹션 상부에서 반응기 벽을 통해 코어 섹션에서 환형 섹션으로의 유체 연통을 제공하는 상부 가스 매니폴드를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제31 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 하부 가스 매니폴드 및 상부 가스 매니폴드는 상부 가스 매니폴드를 통해 코어 섹션 상부에서 환형 섹션으로 및 코어 섹션의 반응 구역을 통해, 하부 가스 매니폴드를 통해 환형 섹션에서 코어 섹션으로의 반응물 가스 경로를 제공하도록 구성된다.
제33 양태는, 환형 섹션 하부에 배치된 가스 유입구를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제32 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 가스 유입구는 환형 섹션 하부로의 반응물 유체 연통을 제공하도록 구성된다.
제34 양태는, 환형 섹션 상부에 배치된 가스 유출구를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제32 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 가스 유출구는 환형 섹션 상부 밖으로의 생성물 유체 연통을 제공하도록 구성된다.
제35 양태는 제25 양태 내지 제34 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 평균 입자 직경을 갖고, 제2 열전달 매체는 제2 평균 입자 직경을 갖고, 제1 평균 입자 직경은 제2 평균 입자 직경보다 크다.
제36 양태는 제35 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 평균 공극률(void fraction)을 갖고, 제2 열전달 매체는 제2 평균 공극률을 갖고, 제1 평균 공극률은 제2 평균 공극률보다 높다.
제37 양태는 제35 양태 또는 제36 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 부피 가스 유속(volumetric gas flowrate)을 제공하도록 구성되고, 제2 열전달 매체는 제2 부피 가스 유속을 제공하도록 구성되고, 제1 부피 가스 유속은 제2 부피 가스 유속보다 크다.
제38 양태는 제37 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 부피 가스 유속은 제2 부피 가스 유속의 2배보다 크다.
제39 양태는 제37 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 부피 가스 유속은 제2 부피 가스 유속의 4배보다 크다.
제40 양태는 제25 양태 내지 제39 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 환형 섹션은 환형 섹션 하부와 환형 섹션 상부 사이에 하나 이상의 가스 흐름 제한부(gas flow restriction)를 포함한다.
제41 양태는 제40 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 하나 이상의 가스 흐름 억제부는 환형 섹션 하부 또는 환형 섹션 상부의 흐름 단면적(cross-sectional flow area)과 비교할 때 감소된 흐름 단면적을 포함한다.
제42 양태는 제40 양태 또는 제41 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 하나 이상의 가스 흐름 억제부는 하나 이상의 흐름 제한부를 포함한다.
제43 양태는, 코어 섹션 상부와 유체 연통하는 블랭킷 가스 유입구를 더 포함하는, 제25 양태 내지 제42 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 블랭킷 가스 유입구는 코어 섹션 상부에 블랭킷 가스를 제공하도록 구성된다.
제44 양태는, 코어 섹션 상부에 배치된 블랭킷 가스를 더 포함하는, 제43 양태의 반응기를 포함할 수 있다.
제45 양태는 제44 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 불활성 가스를 포함한다.
제46 양태는 제44 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 비-탄소 함유 가스를 포함한다.
제47 양태는 제44 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 수소를 포함한다.
제48 양태는 제25 양태 내지 제47 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 입자를 포함하고, 입자는 불연속상 및 매트릭스 물질을 포함하고, 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.
제49 양태는 제48 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에서 액체에서 고체로 상을 변화시키도록 구성된다.
제50 양태는 제48 양태 또는 제49 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 녹는점을 갖는다.
제51 양태는 제48 양태 내지 제50 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 입자는 약 0.01 인치 내지 10 인치의 직경을 갖는다.
제52 양태는 제48 양태 내지 제51 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
제53 양태는 제48 양태 내지 제52 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함한다.
제54 양태는 제48 양태 내지 제53 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
제55 양태는 제48 양태 내지 제54 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 산화물을 포함한다.
제56 양태는 제48 양태 내지 제55 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 불연속상은 염(salt)을 포함한다.
제57 양태는 제48 양태 내지 제56 양태 중 어느 하나의 반응기를 포함할 수 있고, 입자는 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성된 매트릭스상 주위에 배치된 쉘 물질을 더 포함한다.
제58 양태는 제57 양태의 반응기를 포함할 수 있고, 쉘 물질은 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함한다.
제59 양태에서, 열분해 반응을 수행하는 방법은 탄화수소 가스를 포함하는 반응물 가스를 반응기의, 제2 열전달 매체를 포함하는, 환형 섹션의 하부에 도입하는 단계; 반응기의 환형 섹션 하부에서 코어 섹션 하부로 반응물 가스의 적어도 제1 부분을 통과시키는 단계; 반응기의 코어 섹션 내의 제1 열전달 매체와 제1 부분 반응물 가스를 접촉시키는 단계; 고체 탄소 및 수소를 포함하는 반응 생성물을 형성하기 위해 접촉 단계를 기반으로 하여 코어 섹션 내에서 반응물 가스의 제1 부분의 적어도 일부를 열분해하는 단계; 코어 섹션 상부에서 환형 섹션 상부로 반응 생성물을 통과시키는 단계; 및 환형 섹션 상부로부터의 반응 생성물을 생성물로서 수집하는 단계를 포함한다.
제60 양태는, 환형 섹션 하부에서 코어 섹션 하부로 반응물 가스의 제1 부분을 통과시키기 전에 환형 섹션 하부에서 반응물 가스를 가열하는 단계를 더 포함하는, 제59 양태의 방법을 포함할 수 있고, 가열 단계는 제1 열전달 매체와 제2 열전달 매체 사이의 간접 열 교환을 기반으로 한다.
제61 양태는, 열분해 공정 동안 코어 섹션을 통해 제1 열전달 매체를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 제59 양태 또는 제60 양태의 방법을 포함할 수 있다.
제62 양태는 제61 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체를 순환시키는 단계는 코어 섹션 상부에서 코어 섹션 하부로 제1 열전달 매체를 통과시키는 단계; 코어 섹션 하부로부터 제1 열전달 매체를 제거하는 단계; 및 코어 섹션 하부에서 코어 섹션 상부로 제1 열전달 매체를 운반하는 단계를 포함한다.
제63 양태는, 열분해 공정 동안 환형 섹션을 통해 제2 열전달 매체를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 제59 양태 내지 제61 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있다.
제64 양태는 제63 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제2 열전달 매체를 순환시키는 단계는 환형 섹션 상부에서 환형 섹션 하부로 제2 열전달 매체를 통과시키는 단계; 환형 섹션 하부로부터 제2 열전달 매체를 제거하는 단계; 및 환형 섹션 하부에서 환형 섹션 상부로 제2 열전달 매체를 운반하는 단계를 포함한다.
제65 양태는, 반응물 가스 제1 부분의 적어도 일부를 열분해한 후 제1 열전달 매체에서 고체 탄소를 제거하는 단계; 및 고체 탄소를 생성물로서 수집하는 단계를 더 포함하는, 제59 양태 내지 제64 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있다.
제66 양태는 제59 양태 내지 제65 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 반응기는 하우징; 하우징 내에 배치된 코어 섹션; 코어 섹션 내에 배치된 제1 열전달 매체; 하우징 내에 배치된 환형 섹션; 환형 섹션 내에 배치된 제2 열전달 매체; 및 반응기 벽을 포함하고, 반응기 벽은 하우징 내에 배치되고, 반응기 벽은 코어 섹션과 환형 섹션 사이에 배치되어 코어 섹션 및 환형 섹션을 정의한다.
제67 양태는, 반응기 벽으로 환형 섹션으로부터 코어 섹션을 밀봉(sealing)하는 단계를 더 포함하는, 제66 양태의 방법을 포함할 수 있다.
제68 양태는, 반응기 코어 섹션 내의 제1 열전달 매체와 반응물 가스의 제1 부분을 접촉시키기 전에 코어 섹션 상부의 가열 구역에서 제1 열전달 매체를 가열하는 단계를 더 포함하는, 제59 양태 내지 제67 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있다.
제69 양태는 제59 양태 내지 제68 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 환형 섹션 하부에서 코어 섹션 하부로 반응물 가스의 제1 부분을 통과시키는 단계는 하부 가스 매니폴드를 통해 환형 섹션 하부로부터 반응물 가스의 제1 부분을 통과시키는 단계; 및 하부 가스 매니폴드를 사용하여 코어 섹션 내에서 반응물 가스의 제1 부분을 분배하는 단계를 포함하고, 코어 섹션 상부에서 환형 섹션 상부로 반응 생성물을 통과시키는 단계는 상부 가스 매니폴드를 통해 코어 섹션 상부에서 환형 섹션 상부로 반응 생성물을 통과시키는 단계를 포함한다.
제70 양태는 제59 양태 내지 제69 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 평균 입자 직경을 갖고, 제2 열전달 매체는 제2 평균 입자 직경을 갖고, 제1 평균 입자 직경은 제2 평균 입자 직경보다 크다.
제71 양태는 제70 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 평균 공극률을 갖고, 제2 열전달 매체는 제2 평균 공극률을 갖고, 제1 평균 공극률은 제2 평균 공극률보다 높다.
제72 양태는 제70 양태 또는 제71 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 제1 부피 가스 유속을 제공하도록 구성되고, 제2 열전달 매체는 제2 부피 가스 유속을 제공하도록 구성되고, 제2 부피 가스 유속은 제1 부피 가스 유속보다 작다.
제73 양태는 제72 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제2 부피 가스 유속은 제1 부피 가스 유속의 절반보다 작다.
제74 양태는 제72 양태의 방법을 포함할 수 있고, 제2 부피 가스 유속은 제1 부피 가스 유속의 10분의 1보다 작다.
제75 양태는, 환형 섹션을 통해 환형 섹션 하부에서 환형 섹션 상부로 반응물 가스의 제2 부분을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 제70 양태의 방법을 포함할 수 있다.
제76 양태는 제75 양태의 방법을 포함할 수 있고, 반응물 가스 제2 부분에 대한 반응물 가스 제1 부분의 부피 유속 비(ratio)는 2:1 내지 100:1의 범위에 있다.
제77 양태는 제59 양태 내지 제76 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 환형 섹션은 환형 섹션 하부와 환형 섹션 상부 사이에 하나 이상의 가스 흐름 제한부를 포함한다.
제78 양태는 제77 양태의 방법을 포함할 수 있고, 하나 이상의 가스 흐름 제한부는 환형 섹션 하부 또는 환형 섹션 상부의 흐름 단면적과 비교할 때 감소된 흐름 단면적을 포함한다.
제79 양태는, 코어 섹션 상부에 블랭킷 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는, 제59 양태 내지 제78 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 블랭킷 가스 유입구는 코어 섹션 상부에 블랭킷 가스를 제공하도록 구성된다.
제80 양태는 제79 양태의 방법을 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 불활성 가스를 포함한다.
제81 양태는 제80 양태의 방법을 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 비-탄소 함유 가스를 포함한다.
제82 양태는 제81 양태의 방법을 포함할 수 있고, 블랭킷 가스는 수소를 포함한다.
제83 양태는 제59 양태 내지 제82 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 제1 열전달 매체는 입자를 포함하고, 입자는 불연속상 및 매트릭스 물질을 포함하고, 불연속상은 매트릭스 물질 내에 배치되고, 매트릭스 물질은 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는다.
제84 양태는, 코어 섹션 상부에서 가열할 때 불연속상을 녹이는 단계를 더 포함하는, 제83 양태의 방법을 포함할 수 있다.
제85 양태는 제83 양태 또는 제84 양태의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 500 ℃ 내지 1500 ℃ 범위의 녹는점을 갖는다.
제86 양태는 제83 양태 내지 제85 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 입자는 약 0.01 인치 내지 10 인치의 직경을 갖는다.
제87 양태는 제83 양태 내지 제86 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
제88 양태는 제83 양태 내지 제87 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함한다.
제89 양태는 제83 양태 내지 제88 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
제90 양태는 제83 양태 내지 제89 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 금속 산화물을 포함한다.
제91 양태는 제83 양태 내지 제90 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 불연속상은 염(salt)을 포함한다.
제92 양태는 제83 양태 내지 제91 양태 중 어느 하나의 방법을 포함할 수 있고, 입자는 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물로 구성된 매트릭스상 주위에 배치된 쉘 물질을 더 포함한다.
제93 양태는 제92 양태의 방법을 포함할 수 있고, 쉘 물질은 탄소 및/또는 다음의 원소 즉 B, Si, Al, Ti, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 국한되지 않는 산화물, 질화물 또는 탄화물을 포함한다.
제94 양태에서, 열에너지 저장 시스템은 가열 요소(heating element); 상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열전달 매체; 및 열전달 매체와 접촉하는 열전달 유체를 포함한다.
제95 양태는 제94 양태의 시스템을 포함할 수 있고, 열전달 매체는 고정층(stationary bed)을 형성하고, 열전달 유체는 열전달 매체를 통과하도록 구성된다.
제96 양태는 제94 양태 또는 제95 양태의 시스템을 포함할 수 있고, 가열 요소는 열전달 매체를 가열하도록 구성된다.
제97 양태는 제94 양태 내지 제96 양태 중 어느 하나의 시스템을 포함할 수 있고, 열전달 매체는 제1 양태 내지 제11 양태 중 어느 하나의 열전달 매체를 포함한다.
추가적으로, 본 명세서에서 사용된 섹션 제목은 37 C.F.R. 1.77 하의 제안과의 일관성을 위해 또는 조직적인 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이들 제목은 본 발명에서 나올 수 있는 모든 청구 범위에 명시된 발명(들)을 제한하거나 특징짓지 않는다. 구체적으로 및 예로서, 제목이 "분야(field)"를 언급할 수 있지만, 청구 범위는 이른바 분야를 기술하기 위해 이러한 제목 하에서 선택된 언어에 의해 제한되어서는 안된다. 또한, "배경기술"에서의 기술에 대한 설명은 특정 기술이 본 발명의 임의의 발명(들)에 대한 선행 기술임을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. "요약" 또한 공표된 청구 범위에 명시된 발명(들)의 제한적 특성으로 간주되어서는 안된다. 또한, 단수형의 "발명"에 대한 본 발명에서의 어떠한 언급도 본 발명에 단일 포인트의 신규성만 존재한다고 주장하기 위해 사용되어서는 안된다. 다수의 발명이 본 발명으로부터 공표되는 다수의 청구 범위의 제한에 따라 제시될 수 있고, 그러한 청구 범위는 그에 따라 본 발명(들) 및 그에 의해 보호되는 그 등가물을 정의한다. 모든 예에서, 청구 범위의 범위는 본 발명에 비추어 그 자신의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 명시된 제목에 의해 제한되어서는 안된다.
포함하다(comprises), 포함하다(includes) 및 갖는(having)과 같은 광의어(broader terms)의 사용은 구성되는(consisting of), 본질적으로 구성되는(consisting essentially of) 및 실질적으로 구성되는(comprised substantially of)과 같은 협의어(narrower terms)에 대한 지원을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 실시예의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로(optionally)", "할 수 있다(may)", "할 수도 있다(might)", "가능한 대로(possibly)" 등의 용어 사용은 요소가 필요하지 않거나 대안적으로 요소가 필요하다는 것을 의미하고, 두 가지 대안 모두 실시예(들)의 범위 내에 있다. 또한, 예시에 대한 참조는 예시 목적으로만 제공되며 배타적이지 않다.
바람직한 실시예를 도시하고 기술하였지만, 이는 본 명세서의 범위 또는 교시에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 수정될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예는 단지 예시이며 제한적이지 않다. 본 명세서에 기술된 시스템, 장치, 및 프로세스에 대한 많은 변형 및 수정이 가능하고 이들은 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 다양한 부품의 상대적 치수, 다양한 부품을 만드는 물질, 및 다른 매개변수는 변경될 수 있다. 따라서, 보호 범위는 본 명세서에 기술된 실시예에 제한되지 않고 다음의 청구 범위에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구 범위 주제의 모든 등가물을 포함한다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 방법 청구 범위의 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있다. 방법 청구 범위의 단계 앞에 (a), (b), (c) 또는 (1), (2), (3)과 같은 식별자의 열거는 단계에 대한 특정 순서를 지정하려는 의도 및 지정하기 위한 것이 아니라 그러한 단계에 대한 후속 참조를 단순화하기 위해 사용된다.
또한, 별개로 또는 별도로 다양한 실시예에 기술되고 도시된 기술, 시스템, 서브시스템 및 방법은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다른 시스템, 모듈, 기술 또는 방법과 결합되거나 통합될 수 있다. 서로 직접 결합되거나 연통되는 것으로 도시되거나 논의된 다른 항목은 전기적으로, 기계적으로 또는 다른 방식으로 일부 인터페이스, 장치 또는 중간 구성 요소를 통해 간접적으로 결합되거나 연통될 수 있다. 변화, 대체 및 변경의 다른 예는 당업자에 의해 확인될 수 있고 본 명세서에 개시된 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (36)

  1. 열전달 매체(heat transfer media)로서,
    입자를 포함하고, 상기 입자는
    불연속상(discontinuous phase); 및
    매트릭스 물질(matrix material)을 포함하고,
    상기 불연속상은 상기 매트릭스 물질 내에 배치되고, 상기 매트릭스 물질은 상기 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 상기 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는 열전달 매체.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 상기 반응 온도 범위 내에서 액체에서 고체로 상(phase)을 변화시키도록 구성되는 열전달 매체.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 열전달 매체.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함하는 열전달 매체.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 열전달 매체.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 금속 산화물을 포함하는 열전달 매체.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 불연속상은 염(salt)을 포함하는 열전달 매체.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 입자는 상기 매트릭스상(matrix phase) 주위에 배치된 쉘 물질(shell material)을 더 포함하는 열전달 매체.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 쉘 물질은 C, B, Si, Al, Ti, 이들의 산화물, 질화물 또는 탄화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 열전달 매체.
  10. 열전달 매체와의 반응을 수행하는 방법으로서, 상기 방법은
    상 변화 물질(phase change material)을 포함하는 열전달 매체를 가열하는 단계;
    상기 열전달 매체를 가열하는 단계에 대응하여 상기 열전달 매체 내의 상기 상 변화 물질을 녹이는 단계;
    상기 열전달 매체와 반응물을 접촉시켜 하나 이상의 생성물을 형성하는 단계; 및
    상기 접촉시키는 동안 상기 상 변화 물질의 적어도 일부를 응고시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 반응물은 탄화수소를 포함하고, 상기 하나 이상의 생성물은 탄소 및 수소를 포함하는 방법.
  12. 이동층 반응기(moving bed reactor)로서,
    하우징(housing);
    상기 하우징 내에 배치된 코어 섹션(core section);
    상기 코어 섹션 내에 배치된 제1 열전달 매체;
    상기 하우징 내에 배치된 환형 섹션(annular section);
    상기 환형 섹션 내에 배치된 제2 열전달 매체; 및
    반응기 벽(reactor wall)을 포함하고,
    상기 반응기 벽은 상기 하우징 내에 배치되고, 상기 반응기 벽은 상기 코어 섹션과 상기 환형 섹션 사이에 배치되어 상기 코어 섹션 및 상기 환형 섹션을 정의하는 이동층 반응기.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 반응기 벽은 상기 하우징 내에서 실(seal)을 형성하고, 상기 실(seal)은 상기 환형 섹션으로부터 상기 코어 섹션을 분리하는 이동층 반응기.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 제1 열전달 매체는 상기 코어 섹션 내에서 제1 이동층을 형성하는 이동층 반응기.
  15. 제12 항에 있어서, 상기 제2 열전달 매체는 상기 환형 섹션 내에서 제2 이동층을 형성하는 이동층 반응기.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 코어 섹션에 결합된 제1 운반 장치(transport device)를 더 포함하고,
    상기 제1 운반 장치는 상기 코어 섹션의 하부에서 상기 코어 섹션의 상부로 상기 제1 열전달 매체를 운반하도록 구성되는 이동층 반응기.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 환형 섹션에 결합된 제2 운반 장치를 더 포함하고,
    상기 제2 운반 장치는 상기 환형 섹션의 하부에서 상기 환형 섹션의 상부로 상기 제2 열전달 매체를 운반하도록 구성되는 이동층 반응기.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 코어 섹션의 상부에 배치된 가열기(heater)를 더 포함하고,
    상기 가열기는 상기 코어 섹션의 상기 상부에서 상기 제1 열전달 매체를 가열하도록 구성되는 이동층 반응기.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 코어 섹션의 하부에서 상기 반응기 벽을 통해 상기 환형 섹션에서 상기 코어 섹션으로의 유체 연통을 제공하는 하부 가스 매니폴드(lower gas manifold); 및
    상기 코어 섹션의 상부에서 상기 반응기 벽을 통해 상기 코어 섹션에서 상기 환형 섹션으로의 유체 연통을 제공하는 상부 가스 매니폴드(upper gas manifold)를 더 포함하고,
    상기 하부 가스 매니폴드 및 상기 상부 가스 매니폴드는 상기 상부 가스 매니폴드를 통해 상기 코어 섹션의 상부에서 상기 환형 섹션으로 및, 상기 코어 섹션의 반응 구역을 통해, 상기 하부 가스 매니폴드를 통해 상기 환형 섹션에서 상기 코어 섹션으로 반응물 가스 경로를 제공하도록 구성되는 이동층 반응기.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 환형 섹션의 하부에 배치된 가스 유입구(gas inlet)를 더 포함하고, 상기 가스 유입구는 상기 환형 섹션의 상기 하부로의 반응물 유체 연통을 제공하도록 구성되는 이동층 반응기.
  21. 제12 항에 있어서,
    상기 환형 섹션의 상부에 배치된 가스 유출구(gas outlet)를 더 포함하고, 상기 가스 유출구는 상기 환형 섹션의 상기 상부 밖으로의 생성물 유체 연통을 제공하도록 구성되는 이동층 반응기.
  22. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 열전달 매체는 제1 부피 가스 유속(volumetric gas flowrate)을 제공하도록 구성되고, 상기 제2 열전달 매체는 제2 부피 가스 유속을 제공하도록 구성되고, 상기 제1 부피 가스 유속은 상기 제2 부피 가스 유속보다 큰 이동층 반응기.
  23. 제12 항에 있어서,
    상기 코어 섹션의 상부 섹션과 유체 연통하는 블랭킷(blanket) 가스 유입구를 더 포함하고, 상기 블랭킷 가스 유입구는 상기 코어 섹션의 상부에 블랭킷 가스를 제공하도록 구성되는 이동층 반응기.
  24. 제23 항에 있어서, 상기 코어 섹션의 상기 상부에 배치된 상기 블랭킷 가스를 더 포함하는 이동층 반응기.
  25. 제24 항에 있어서, 상기 블랭킷 가스는 불활성 가스를 포함하는 이동층 반응기.
  26. 제24 항에 있어서, 상기 블랭킷 가스는 비-탄소(non-carbon) 함유 가스를 포함하는 이동층 반응기.
  27. 제24 항에 있어서, 상기 블랭킷 가스는 수소를 포함하는 이동층 반응기.
  28. 제12 항에 있어서, 상기 제1 열전달 매체는
    입자를 포함하고, 상기 입자는
    불연속상; 및
    매트릭스 물질을 포함하고,
    상기 불연속상은 상기 매트릭스 물질 내에 배치되고, 상기 매트릭스 물질은 상기 불연속상보다 높은 녹는점을 갖고, 상기 불연속상은 반응 온도 범위 내에 있도록 선택된 녹는점을 갖는 이동층 반응기.
  29. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 상기 반응 온도 범위 내에서 액체에서 고체로 상(phase)을 변화시키도록 구성되는 이동층 반응기.
  30. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 이동층 반응기.
  31. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 Fe, Al, Si, B, Mn, Cu, 또는 이들의 합금을 포함하는 이동층 반응기.
  32. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 Fe-Si-B, Fe-Si, Al-Si, Mn-Si, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 이동층 반응기.
  33. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 금속 산화물을 포함하는 이동층 반응기.
  34. 제28 항에 있어서, 상기 불연속상은 염(salt)을 포함하는 이동층 반응기.
  35. 제28 항에 있어서, 상기 입자는 상기 매트릭스상 주위에 배치된 쉘 물질을 더 포함하는 이동층 반응기.
  36. 제35 항에 있어서, 상기 쉘 물질은 C, B, Si, Al, Ti, 이들의 산화물, 질화물 또는 탄화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 이동층 반응기.
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