电蒸汽裂解器的制作方法

1.提供一种反应器系统和工艺，其用于对包含碳氢化合物和蒸汽的进料气进行蒸汽裂解反应，以生成包括至少一种烯烃化合物的产品气(product gas，产物气)，其中通过电阻加热来提供用于反应的热量。


背景技术：

2.蒸汽裂解是一种吸热的石油化工工艺，其中饱和碳氢化合物被分解成更小的不饱和碳氢化合物。通常，反应温度非常高，大约在1000℃，并且需要大型反应塔。反应中产生的产品取决于进料的成分、碳氢化合物与蒸汽的比率以及裂解温度和炉内停留时间。
3.吸热反应通常会受到如何将热量有效地传递到反应器系统的反应区域的挑战。通过对流加热、传导加热和/或辐射加热来进行的传统热传递可能很慢，并且在许多构造中通常会遇到很大阻力。
4.期望开发一种用于蒸汽裂解工艺的紧凑且操作简单的反应器系统。本发明技术的另一优点在于可以显著减少二氧化碳和其他对气候有害的排放物的总排放量，特别是在反应器系统中使用的功率来自可再生能源的情况下。
5.在共同正在申请的专利pct/ep2019/062424中阐述了用于进行吸热催化反应的系统和方法。


技术实现要素：

6.因此，本技术提供了一种用于对包含碳氢化合物的进料气进行蒸汽裂解的反应器系统，所述反应器系统包括：
[0007]-进料气的供应部(supply)，该进料气包括碳氢化合物和蒸汽；
[0008]-结构体，被布置为用于对包含碳氢化合物的所述进料气进行蒸汽裂解，所述结构体包括导电材料的宏观结构，所述宏观结构支撑陶瓷涂层；
[0009]-压力壳体，容纳有所述结构体，所述压力壳体包括用于输入所述进料气的入口和用于输出产品气的出口，其中，所述入口被定位成使得所述进料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，所述产品气从所述结构体的第二端离开所述结构体；
[0010]-隔热层，位于所述结构体和所述压力壳体之间；
[0011]-至少两个导体，被电连接到所述结构体以及被电连接到放置在所述压力壳体外部的电源，其中，所述电源的尺寸(dimension，结构参数)被设计成通过使电流通过所述宏观结构来将至少部分所述结构体加热到至少500℃的温度，其中，所述至少两个导体在所述结构体上的一位置处被连接到所述结构体，所述位置比所述结构体的所述第二端更靠近所述结构体的所述第一端，并且其中，所述结构体被构造成引导电流基本上从一个导体流向所述结构体的第二端，并返回到所述至少两个导体中的第二个导体；以及
[0012]-出口，其用于包括至少一种烯烃化合物的产品流(product stream，产物流)。
[0013]
此外，提供一种工艺，用于在本文所述的反应器系统中，在蒸汽裂解反应条件下，
对包含碳氢化合物和蒸汽的进料气进行蒸汽裂解；所述工艺包括以下步骤：
[0014]-对所述进料气进行加压，
[0015]-向所述反应器系统供应所述被加压的进料气，
[0016]-经由将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体的电导体来供应电功率，使电流流过所述导电材料，从而将所述结构体的至少部分加热至一温度，所述温度足以使所述进料气在所述结构体上进行蒸汽裂解反应，
[0017]-使所述进料气在所述结构体上进行蒸汽裂解反应，以及
[0018]-从所述反应器系统排出包括至少一种烯烃化合物的产品流。
[0019]
本技术的附加方面在从属权利要求、附图以及下文描述中进行阐述。
附图说明
[0020]
图1a示出了本发明的反应器系统的实施例的横截面，该反应器系统在横截面中具有包括有宏观结构阵列的结构体；
[0021]
图1b示出了图1a的反应器系统，其中压力壳体与隔热层的一部分被移除；
[0022]
图2是反应器系统的一部分的放大图；
[0023]
图3a和图3b示出了本发明的反应器系统的实施例的示意性横截面，该反应器系统包括结构体；
[0024]
图4和图5示出了分别从上方和从侧面观察到的、具有宏观结构阵列的结构体的实施例；
[0025]
图6示出了本发明的结构体的实施例；
[0026]
图7和图8示出了带有连接器的结构体的实施例。
具体实施方式
[0027]
具体实施例
[0028]
本技术描述了电加热反应器如何以紧凑的设计和按需方法通过反应来促进蒸汽裂解任务。
[0029]
本技术可以用于将包含碳氢化合物的进料气蒸汽裂解为包含至少一种烯烃化合物的产品流。进料气中的碳氢化合物适当地为饱和碳氢化合物，优选地选自石脑油、液化石油气(lpg)、乙烷、丙烷或丁烷。产品流中的烯烃化合物适当地为乙烯、丙烯或丁烯或它们的混合物。
[0030]
使用结构体的紧凑型电反应器可以被容易地操作，并在需要时使用易于启动的原理来产生一种或多种烯烃化合物。这提供了一种相对便宜的设备，在该设备中可以仅按照所需的量来生产烯烃，并且几乎不需要储存烯烃，同时减少或完全消除了烯烃的运输。简单的反应器设施和蒸汽裂解工艺的简单操作使得在非定域化设备中生产烯烃具有吸引力,降低了烯烃处理的风险。
[0031]
因此，提供了一种用于对包含碳氢化合物的进料气进行蒸汽裂解的反应器系统，所述反应器系统包括：
[0032]-进料气的供应部，该进料气包括碳氢化合物和蒸汽；
[0033]-结构体，被布置为用于对包含碳氢化合物的所述进料气进行蒸汽裂解，所述结构
体包括导电材料的宏观结构；
[0034]-压力壳体，容纳有所述结构体，所述压力壳体包括用于输入所述进料气的入口和用于输出产品气的出口，其中，所述入口被定位为使得所述进料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，所述产品气从所述结构体的第二端离开所述结构体；
[0035]-隔热层，位于所述结构体和所述压力壳体之间；
[0036]-至少两个导体，被电连接到所述结构体以及被电连接到放置在所述压力壳体外部的电源，其中，所述电源的尺寸被设计成通过使电流通过所述宏观结构来将至少部分所述结构体加热到至少500℃的温度，其中，所述至少两个导体在所述结构体上的一位置处被连接到所述结构体，所述位置更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端，并且其中，所述结构体被构造成引导电流基本上从一个导体流向所述结构体的第二端，并返回到所述至少两个导体中的第二个导体；以及
[0037]-出口，其用于包括至少一种烯烃化合物的产品流。
[0038]
反应器系统的布置允许在入口处将被加压的进料气进给到反应器系统，并将该气体引导至反应器系统的压力壳体中。在压力壳体内，隔热层和惰性材料的构造被布置成引导进料气通过结构体。此外，结构体的加热将为吸热反应供应所需的热量。来自被加热的结构体的产品气被引导至反应器系统出口。
[0039]
因此，电阻加热工艺的重要特征在于能量是在物体本身内部供应的，而不是经由热传导、热对流和热辐射从外部热源供应的。而且，反应器系统的最热部分将位于反应器系统的压力壳体内。优选地，电源和结构体的尺寸被设计成使得至少部分结构体达到至少700℃、优选地至少900℃、更优选地至少1000℃的温度。导电材料的表面积、涂覆有(可选的)陶瓷涂层的导电材料的比例以及陶瓷涂层的类型和结构可以根据给定操作条件下的特定反应进行定制。
[0040]
导电材料适当地为宏观结构。如本文所使用的，术语“宏观结构”是指在没有放大装置的情况下，大到足以用肉眼观察到的结构。宏观结构的尺寸通常在厘米甚至米的范围内。有利的是，宏观结构的尺寸被设置成至少部分地与容纳有结构体的压力壳体的内部尺寸相对应，从而为隔热层和导体节省空间。可以对两个或多个宏观结构进行连接，以提供宏观结构的阵列，该宏观结构的阵列具有至少一个在米范围内(诸如2m或5m)的外部尺寸。这两个或多个宏观结构可以被称为“宏观结构的阵列”。在这种情况下，宏观结构阵列的尺寸被有利地设置成至少部分地与容纳有结构体的压力壳体的内部尺寸相对应(从而为隔热层节省空间)。设想的宏观结构阵列可以占据0.1m3至10m3或甚至更大的体积。结构体可以包括单个宏观结构或宏观结构的阵列，其中，一个或多个宏观结构支撑陶瓷涂层。在宏观结构阵列中，宏观结构可以彼此电连接；然而，可替代地，宏观结构彼此不电连接。因此，结构体可以包括被定位成彼此相邻的两个或多个宏观结构。一个或多个宏观结构可以是挤压(extruded，挤出)和烧结结构或3d打印结构。3d打印的宏观结构可以具备或不具备后续烧结。在本文所述的反应器系统中，陶瓷涂层不支持催化活性材料。
[0041]
宏观结构的物理尺寸可以是任何适当的尺寸；因此，高度可以小于宏观结构的宽度，反之亦然。
[0042]
宏观结构可以支撑陶瓷涂层，该陶瓷涂层可以在宏观结构上提供保护层。术语“支撑陶瓷涂层的宏观结构”意指宏观结构至少在其表面的一部分上由陶瓷涂层涂覆。因此，该
术语不意指宏观结构的全部表面由陶瓷涂层涂覆；具体地，至少在宏观结构与导体电连接的部分上没有涂层。涂层是一种在结构中具有孔隙的陶瓷材料。
[0043]
优选地，宏观结构是通过将粉末状的金属颗粒与粘合剂的混合物挤出到挤压结构并随后对挤压结构进行烧结来制造的，从而提供了在单位体积下具有高几何表面积的材料。优选地，挤压结构在还原性气氛中被烧结以提供宏观结构。可替代地，宏观结构是3d打印的金属增材制造熔融工艺(metal additive manufacturing melting process)，即，3d打印工艺，其不需要后续烧结，诸如粉末床熔合(powder bed fusion)工艺或直接能量沉积(direct energy deposition)工艺。此类粉末床熔合工艺或直接能量沉积工艺的示例为激光束、电子束或等离子3d打印工艺。作为另一替代方案，宏观结构可以通过基于粘合剂的金属增材制造工艺而被制造为3d金属结构，并随后在第一温度t1(其中t1》1000℃)下在非氧化气氛中进行烧结，以提供宏观结构。
[0044]
在氧化气氛中进行第二烧结之前，可以在宏观结构上设置陶瓷涂层，以便在陶瓷涂层与宏观结构之间形成化学键。
[0045]
如本文所使用的，术语“3d打印(3d print)”和“3d打印(3d printing)”意指金属增材制造工艺。此类金属增材制造工艺涵盖3d打印工艺，在该工艺中，材料在计算机控制下被结合到结构上以创建三维物体，其中该结构将被固化(例如通过烧结)以提供宏观结构。而且，此类金属增材制造工艺涵盖3d打印工艺，该工艺不需要诸如粉末床熔合工艺或直接能量沉积工艺等的后续烧结。此类粉末床熔合工艺或直接能量沉积工艺的示例为激光束、电子束或等离子3d打印工艺。
[0046]
该反应器系统不需要熔炉，这显著地减小了反应器的整体尺寸。
[0047]
导电材料包括铁、镍、铜、钴、铬、铝、硅或它们的合金。此类合金可以包括其他元素，诸如锰、钇、锆、碳、钴、钼或它们的组合。优选地，导电材料包括铁、铬、铝或它们的合金。此类合金还可以包括其他元素，诸如硅、锰、钇、锆、碳、钴、钼或它们的组合。优选地，与导电材料相比，导体和导电材料由不同的材料制成。导体可以例如是铁、镍、铝、铜、银或它们的合金。陶瓷涂层是一种电绝缘材料，其厚度通常在约100μm的范围，比如10μm至500μm。导电材料有利地为连贯的(coherent，相干的)或一致地内连接材料(intra-connected material)，以在整个导电材料中实现导电性，并从而在整个结构体中实现导热性。
[0048]
借助于连贯的或一致的内连接材料，有可能确保导电材料内的电流的均匀分布，并进而确保结构体内的热量的均匀分布。在本文中，术语“连贯的”是粘合的(cohesive)的同义词，并进而是指被一致地内连接或被一致地联接的材料。结构体是连贯的或一致的内连接材料的效果在于，对结构体材料内的连接性进行控制，并进而获得导电材料的导电性。应注意的是，即使对导电材料进行了进一步修改，诸如在导电材料的部分中提供狭缝或在导电材料中使用绝缘材料，但导电材料仍然意指连贯的或一致的内连接材料。
[0049]
结构体上的气体流动可以是轴向的，或者可以与通过结构体的电流路径是同轴的，可以垂直于电流路径，或者可以具有与电流路径相关的任何其他适当方向。
[0050]
蒸汽裂解反应的进料优选地为基本纯净的蒸汽流和碳氢化合物。此外，工艺的进料可以包括来自反应器系统下游的单元操作的环流气体。
[0051]
在一个实施例中，进料气是多种碳氢化合物与基本纯净的蒸汽流混合成的混合物。
[0052]
术语“导电的(electrically conductive)”意指在20℃时电阻率在10-5
至10-8
ω
·
m范围内的材料。因此，导电的材料是例如铜、银、铝、铬、铁、镍等金属或金属合金。而且，术语“电绝缘的(electrically insulating)”意指在20℃时电阻率高于10ω
·
m的材料，例如在20℃时电阻率在109至10
25
ω
·
m范围内的材料。
[0053]
当反应器系统包括位于结构体与压力壳体之间的隔热层时，在结构体与压力壳体之间获得了适当的隔热和电绝缘。在压力壳体与结构体之间存在隔热层有助于避免压力壳体的过度加热，并有助于减少向周围环境的热损失。结构体(至少其某些部分)的温度可以到达约1300℃，但通过在结构体与压力壳体之间使用隔热层，压力壳体的温度可以保持在显著较低的温度，例如500℃或甚至100℃，这是有利的，因为通常的结构钢材料通常不适于温度高于1000℃的承压应用。而且，压力壳体与结构体之间的隔热层有助于对反应器系统内的电流进行控制，因为隔热层也是电绝缘的。隔热层可以是一层或多层固体材料，诸如陶瓷、惰性材料、纤维材料、砖或气体屏障或它们的组合。因此，也可以设想释放气(purge gas，吹扫气)或封闭气(confined gas)构成或形成隔热层的一部分。
[0054]
而且，应注意的是，术语“隔热材料(heat insulating material)”意指导热系数为约10w
·
m-1
·
k-1
或以下的材料。隔热材料的示例为陶瓷、砖、氧化铝基材料(alumina based material)、氧化锆基材料(zirconia based material)和类似材料。
[0055]
有利的是，在结构体、隔热层、压力壳体和/或反应器系统内的任何其他部件之间的任何相关间隙均填充有(例如呈惰性颗粒形式)惰性材料。此类间隙例如是结构体下侧与压力壳体底部之间的间隙，结构体侧部与覆盖压力壳体内侧的隔热层之间的间隙。惰性材料可以例如是呈颗粒或瓦片(tile)形式的陶瓷材料。惰性材料有助于控制通过反应器系统的气体分布，以及有助于控制通过结构体的气体流动。而且，惰性材料通常具有隔热效果。
[0056]
压力壳体适当地具有介于2bar至30bar之间的设计压力。实际操作压力将由吸热反应、设备规模等方面决定。由于反应器系统的最热部分是导电材料，而该导电材料将被隔热层围绕并位于反应器系统的压力壳体内，因此压力壳体的温度可以保持显著低于最高工艺温度。这允许压力壳体具有相对较低的设计温度，例如为700℃或500℃，或者优选地为300℃或100℃，同时结构体上的最大工艺温度为400℃，或甚至900℃，或甚至1100℃，或甚至高达1300℃。这些温度(对应于上述压力壳体的设计温度)较低时，材料强度较高。这在设计化学反应器时提供了优势。适当地，压力壳体具有介于2bar至30bar之间、或者介于30bar和200bar之间的设计压力。作为工艺经济性和热力学限制之间的折衷，优选地在30bar左右。
[0057]
导电材料的电阻率适当地介于10-5
ω
·
m和10-7
ω
·
m之间。当使用电源进行通电时，电阻率介于该范围内的材料提供了对结构体的有效加热。石墨在20℃时具有约为10-5
ω
·
m的电阻率，康泰尔合金(kanthal，铬铝钴铁合金)在20℃时具有约为10-6
ω
·
m的电阻率，而不锈钢在20℃时具有约为10-7
ω
·
m的电阻率。导电材料可以例如由在20℃时电阻率约为1.5x10-6
ω
·
m的铁铬合金(fecralloy)制成。
[0058]
通常，压力壳体包括用于输入工艺气体的入口和用于输出产品气的出口，其中入口被定位成靠近压力壳体的第一端，出口被定位成靠近压力壳体的第二端，并且其中至少两个导体均在更靠近入口而不是出口的位置处被连接到结构体。由此，该至少两个导体可以被放置在反应器系统的大体上较冷的部分，因为入口气体的温度将低于产品气的温度，
由于化学反应进程所消耗的热量，导电材料将在材料的最上游部分更冷，并且在进料气(其通过入口被供给)沿着被加热的结构体上的气体路径由被加热的结构体进一步进行加热之前，进料气可以冷却该至少两个导体。有利的是，除导电材料之外的所有导电元件的温度都保持在较低水平，以便保护导体和结构体之间的连接。当导体和其他导电元件(导电材料除外)的温度相对较低时，对适用于导体和其他导电元件(导电材料除外)的材料的限制较少。当导电元件的温度升高时，它们的电阻率增加；因此，希望避免对反应器系统内的除导电材料之外的所有其他部分进行不必要的加热。术语“导电元件(导电材料除外)”旨在涵盖被布置成将电源连接到结构体的相关导电元件，导电的结构体本身除外。
[0059]
应注意的是，本发明的系统可以包括任何适当数量的电源和任何适当数量的导体，这些导体将一个或多个电源与结构体的一种或多种导电材料进行连接。
[0060]
适当地，该至少两个导体在配件(fitting，装配件)中被引导通过压力壳体，使得该至少两个导体与压力壳体电绝缘。该配件可以部分地由塑料和/或陶瓷材料制成。术语“配件”意指允许在承压构造中机械地连接两件硬件的装置。因此，即使至少两个导体被引导通过压力壳体，压力壳体内的压力也可以被保持。配件的非限制性示例可以为电绝缘配件、介电配件、功率压缩密封件(power compression seal)、压缩配件或凸缘。压力壳体通常包括侧壁、端壁、凸缘和可能的其他部分。术语“压力壳体”旨在涵盖这些部件中的任何一个。
[0061]
压力壳体还可以包括一个或多个入口，该一个或多个入口靠近或与至少一个配件组合，以允许冷却气体在压力壳体内在至少一个导体上流动、围绕至少一个导体流动、在至少一个导体的附近流动或在至少一个导体的内部流动。由此，导体被冷却，并进而配件所经受的温度被保持在较低水平。如果不使用冷却气体，则导体可能会由于反应器系统的进料气、由于所施加的电流而产生的导体的电阻加热，和/或来自结构体的热传导而被加热。冷却气体可以例如是氢气、氩气、氮气、甲烷、氨气或它们的混合物。冷却气体在进入压力壳体时的温度可以是例如约100℃或200℃或250℃。在一个实施例中，一个或多个导体是中空的，使得冷却气体可以流动通过一个或多个导体并从内部冷却它(它们)。通过将配件的温度保持在较低水平，例如在约100至200℃，使得更容易实现防漏构造。通常，将进料气的一部分(诸如反应物中的一种)作为冷却气体进给到压力壳体中。在另一实施例中，将进料气的一部分或与进料气成分相同的气体用作冷却气体。
[0062]
反应器系统还可以包括与结构体具有热交换关系的内管，其中内管适于从结构体中抽出产品气，使得流动通过一个或多个内管的产品气与在结构体上流动的气体具有热交换关系，但内管与结构体电分离。这是一种在本文被称为卡口反应器系统(bayonet reactor system)的布置。在这种布置中，内管内的产品气有助于对在结构体上流动的工艺气体进行加热。内管和结构体之间的电绝缘可以是以内管和结构体之间的间隙或距离形式的气体，也可以是在内管和结构体周围装载的惰性材料。气体可以沿向上方向或向下方向流动通过结构体。
[0063]
结构体和至少两个导体之间的连接可以是机械连接、焊接连接、钎焊连接(brazed connection)或它们的组合。结构体可以包括端子，这些端子物理连接并且电连接到结构体，以便促进导电材料和至少两个导体之间的电连接。术语“机械连接”意指两个部件通过机械方式(诸如通过螺纹连接或夹紧(clamping，夹持))被保持在一起的连接，使得电流可
以在部件之间流动。
[0064]
被放置在导电材料阵列中的导电材料可以彼此电连接。两个或多个导电材料之间的连接可以通过机械连接、夹紧、软钎焊(soldering)、焊接或这些连接方法的任何组合。每个导电材料可以包括端子，以用于促进电连接。两个或多个导电材料可以被串联或并联连接至电源。两个或多个导电材料之间的电连接沿着两个或多个导电材料之间的连接表面有利地是连贯且均匀的，使得两个或多个导电材料担当单个连贯或一致的内连接材料；由此，促进两个或多个导电材料中的均匀导电性。可替代地或者附加地，结构体可以包括彼此不电连接的导电材料的阵列。两个或多个导电材料在压力壳体内被放置一起，但反而彼此不电连接。因此，在这种情况下，结构体包括与电源并联连接的导电材料。
[0065]
陶瓷涂层可以通过修补基面涂层(wash coating)而被直接添加到导电材料的金属表面。金属表面的修补基面涂层是众所周知的工艺；例如在《structured bodys and reactors》(结构体与反应器)(齐布尔斯基a.(cybulski,a.)，穆林j.a.(moulijn,j.a.)，马塞尔
·
德克尔出版社(marcel dekker,inc)，纽约，1998年)第3章以及本文的参考文献中给出的描述。陶瓷涂层可以例如为包括铝、锆、镁、铈和/或钙的氧化物。示例性涂层为铝酸钙或镁铝尖晶石。此类陶瓷涂层可以包括其他元素，诸如镧、钇、钛、钾或它们的组合。陶瓷涂层是一种电绝缘材料，并且其厚度通常在100μm左右的范围内，比如10至500μm。
[0066]
挤出、烧结或3d打印一宏观结构会产生形状均匀、连贯的宏观结构，该宏观结构之后可以用陶瓷涂层进行涂覆。
[0067]
导电材料和陶瓷涂层可以在氧化气氛中进行烧结，以便在陶瓷涂层与导电材料之间形成化学键；这在导电材料与陶瓷涂层之间提供了特别高的导热性。因此，结构体在热传递方面来说是紧凑的，并且容纳有结构体的反应器系统可以是紧凑的，并且主要受化学反应的速率限制。
[0068]
在一个实施例中，结构体具有至少一个电绝缘部分，该至少一个电绝缘部分被布置成将导体之间的电流路径增加到大于结构体的最大尺寸的长度。在导体之间提供大于结构体的最大尺寸的电流路径，这可以通过提供被定位在导体之间的一个或多个电绝缘部分，并防止电流流过结构体的一些部分来实现。这类电绝缘部分被布置成增加电流路径，并进而增加通过结构体的电阻。由此，通过结构体的电流路径可以例如比结构体的最大尺寸长50％、100％、200％、1000％，或者甚至10000％。
[0069]
而且，此类电绝缘部分被布置成引导电流从一个导体(该导体更靠近结构体的第一端而不是第二端)去往结构体的第二端，并返回到第二个导体(该第二个导体更靠近结构体的第一端而不是第二端)。优选地，电流被布置成从结构体的第一端流向第二端并返回到第一端。如图所示，结构体的第一端是其顶端。图5至图7中示出为“z”的箭头表示沿着结构体长度的z轴。贯穿结构体的主电流路径将沿着电流路径的大部分长度具有所伴随的电流密度向量的z坐标的正值或负值。主电流路径是指在其中电子以最高电流密度通过结构体的宏观结构的路径。主电流路径也可以被理解为通过结构体的宏观结构的最小长度路径。从几何角度看，主电流路径可以被量化为在与宏观结构的连贯截面的气体流动方向垂直的平面内的最大电流密度向量。如图所示，在结构体的底部，电流将会转弯，并且在这里所伴随的电流密度向量的z坐标将会为零。
[0070]
如本文所使用的，术语连贯截面意指宏观结构的横截面区域，其中，连贯截面中的
所有壁在同一平面内与该连贯截面中的一个或多个其他壁几何地连接。
[0071]
在一个实施例中，结构体具有至少一个电绝缘部分，该至少一个电绝缘部分被布置成引导电流通过结构体，以确保对于所述结构体长度的至少70％，主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值。因此，对于结构体长度的至少70％，电流密度向量将具有平行于结构体长度的正或负分量值。因此，对于结构体长度(即沿着结构体的z轴，如图5至图10所示)的至少70％，例如90％或95％，主电流路径的电流密度向量将具有沿z轴的正值或负值。这意味着电流被迫从结构体的第一端去往第二端，随后再次被迫去往第一端。进入结构体第一端的气体温度和在结构体上发生的吸热蒸汽裂解反应从结构体吸收热量。因为这个原因，结构体的第一端仍然比第二端冷，并且通过确保主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值(这发生在温度轮廓(temperature profile，温度分布)基本持续升高的情况下)，这提供了可控的反应前沿(reaction front)。在一个实施例中，电流密度向量在所述结构体长度的70％、优选地80％、更优选地90％、甚至更优选地95％中具有平行于所述结构体长度的非零分量值。应注意的是，术语“结构体的长度”意指在气体流动方向上的结构体尺寸。在图中所示的结构体中，长度为纵向的方向，即结构体的最长尺寸。在一些附图中，这由箭头z表示。
[0072]
绝缘部分的非限制性示例为结构中的切口、狭缝或孔。可选地，可以使用固体绝缘材料，诸如位于结构中的切口或狭缝中的陶瓷。切口或狭缝中的固体绝缘材料有助于使位于切口或狭缝侧部上的结构体的部分保持彼此分开。如本文所使用的，术语“结构体的最大尺寸”意指结构体所采用的几何形状的最大内部尺寸。如果结构体是盒形的(box-formed)，则最大尺寸将是从一个角到最远角的对角线，也被称为空间对角线。
[0073]
应注意的是，尽管由于电绝缘部分被布置成以增加电流路径，通过结构体的电流可以被布置成将其路径扭曲或缠绕来通过结构体，但通过反应器系统的气体在反应器系统的一端被输入，在从反应器系统被输出之前通过结构体一次。惰性材料有利地存在于结构体与反应器系统其余部分之间的相关间隙中，以确保反应器系统内的气体通过结构体。
[0074]
通过结构体的气体通道的长度适当地小于电流从一个电极通过结构体到达下一个电极的通道长度。气体通道长度与电流通道长度的比率可以小于0.6、或0.3、0.1，甚至可以降至0.002。
[0075]
通常，结构体具有电绝缘部分，这些电绝缘部分被布置成使通过结构体的电流路径呈之字形路径。这里，术语“之字形路径”和“之字形路线”意指这样的路径，该路径具有以可变角度跟踪从一个导体去往另一导体的路径的角。例如，之字形路径是一向上、转弯、并随后向下的路径。之字形路径可以具有许多转弯，向上并随后向下多次通过结构体，即使一个转弯就足以使路径成为之字形路径。
[0076]
应注意的是，被布置成用于增加电流路径的绝缘部分不一定与导电材料上的陶瓷涂层有关；即使这种陶瓷涂层也被认为是电绝缘的，但它不会改变被连接到导电材料的导体之间的电流路径长度。
[0077]
结合本发明，宏观结构具有三维网络结构的形式，其中网络结构形成多个流动路径，这些流动路径允许进料气从结构体的第一端流向第二端。在特定实施例中，宏观结构还包括形成内部空间的周壁，该周壁由导电的金属材料形成，并且其中网络结构被布置在内部空间中。
[0078]
宏观结构可以具有多个平行通道、多个非平行通道和/或多个迷宫通道，其中这些通道具有限定通道的壁。因此，只要被暴露在气体中的结构体的表面积尽可能大，就可以使用多种不同形式的宏观结构。在优选实施例中，宏观结构具有平行通道，因为此类平行通道使结构体具有非常小的压降。在优选实施例中，平行的纵向通道在宏观结构的纵向方向上歪斜。通过这种方式，流动通过宏观结构的气体分子将大部分倾向撞击通道内的壁，而不是只笔直地流动通过通道而不与壁进行接触。通道的尺寸应是适当的，以使宏观结构具有足够的电阻率。例如，通道可以是平方的(quadratic，二次方的)(如在垂直于通道的横截面所见)，并且具有介于1到3mm之间的正方形边长；然而，可以设想通道在横截面上具有高达约为4cm的最大延伸。壁可以例如具有介于0.2和2mm之间的厚度，诸如约0.5mm，并且由壁支撑的陶瓷涂层具有介于10μm和500μm之间的厚度，诸如介于50μm和200μm之间，诸如100μm。在另一实施例中，结构体的宏观结构是交错波纹的(cross-corrugated)。
[0079]
在替代实施例中，宏观结构的网络结构具有格子(lattice，晶格)的形式，该格子在并列的流动路径之间具有开口。所述格子可以是规则格子或不规则格子。
[0080]
一般而言，当宏观结构被挤压或3d打印时，与催化材料呈颗粒形式的反应器相比，该反应器系统从入口到出口的压降可以被显著降低。
[0081]
宏观结构的几何表面积可以介于100和3000m2/m3之间，诸如介于500和1100m2/m3之间。通常，宏观结构的材料被选择为这样的材料，该材料被布置为通过材料的电阻加热来供应500w/m2至50000w/m2的热通量。优选地，材料的电阻加热供应介于5kw/m2和12kw/m2之间的热通量，例如介于8kw/m2和10kw/m2之间的热通量。热通量以被暴露于气体的表面的单位几何表面积上的热量来表示。
[0082]
离开压力壳体/反应器系统的气体的预定温度范围为200至1300℃。结构体的产品气出口温度直接在结构体最下游表面的下方或最下游表面上进行测量。测量技术可以是热电偶(通过电压降落)、电阻温度检测器或红外检测。测量点可以与结构体分离，并嵌入到下游惰性气体中，或直接位于具有绝缘表面覆盖的表面上。
[0083]
所述反应器系统内的结构体具有结构体水平横截面的面积等效直径与结构体高度之间适当的比率，该比率在0.1至2.0范围内。反应器系统的横截面的面积等效直径被限定为横截面面积的等效面积圆的直径。当结构体的面积等效直径和高度之比介于0.1和2.0之间时，与其他反应器系统相比，容纳有结构体的压力壳体可以相对较小。
[0084]
通常，气体沿着向上或向下方向流动通过反应器系统，使得气体沿着结构体的高度流动通过结构体中的通道。当结构体包括若干宏观结构或宏观结构的阵列时，阵列内的各个宏观结构可以并排放置、彼此上下放置或以这些方式的组合放置。需要强调的是，当结构体包括多于一个宏观结构时，结构体的尺寸是该多于一个宏观结构的尺寸。因此，作为示例，如果结构体包括两个宏观结构，其中每个宏观结构具有高度h，彼此上下放置，则该结构体的高度是2h。
[0085]
对结构体的体积进行选择考虑反应器系统的期望进料转化率(feed conversion)和/或温度与导电材料的发热能力相关。
[0086]
适当地，反应器系统的高度介于0.5和7m之间，更优选地介于0.5和3m之间。反应器系统高度的示例值为小于5m、优选地小于2m或者甚至1m的高度。反应器系统的尺寸与反应器系统内的结构体的尺寸相关；当然，压力壳体和隔热层使反应器系统比结构体本身大一
些。
[0087]
反应器系统还可以包括改质单元(upgrading unit)，该改质单元被布置成接收包括烯烃化合物的产品流，并将其分离为改质烯烃流和尾气流。
[0088]
上述反应系统不是分离式系统。由于热量不会在承压墙上进行传输，因此机械故障的风险不高。这意味着相比之下启动很快，并且在实践中，本发明可以通过施加给定的电压来启动，随后系统将朝着热平衡方向工作，以达到稳定状态，而无需任何额外的操作员输入。
[0089]
一种工艺，用于在本文所述的反应器系统中，在蒸汽裂解反应条件下，将包含碳氢化合物和蒸汽的进料气蒸汽裂解成至少一种烯烃；
[0090]
所述工艺包括以下步骤：
[0091]-对所述进料气进行加压，
[0092]-向反应器系统供应所述被加压的进料气，
[0093]-经由将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体的电导体来供应电功率，使电流流过所述导电材料，从而将至少部分所述结构体加热至一温度，该温度足以使所述进料气在所述结构体上经历蒸汽裂解反应，
[0094]-使所述进料气在所述结构体上经历蒸汽裂解反应，以及
[0095]-从所述反应器系统排出包括至少一种烯烃化合物的产品流。
[0096]
上述给定系统的所有细节(只要在可能的情况下)都与上述工艺相关。
[0097]
在一个方面，进料气被加压至介于2至30bar之间的压力。进料气可以被加压至介于30至200bar之间的压力。适当地，至少部分结构体被加热到至少700℃、优选地至少900℃、更优选地至少1000℃。结构体被加热至的最高温度为约1400℃。
[0098]
该工艺的一个方面还包括一步骤，通过压力壳体的入口引入冷却气体，以允许所述冷却气体流过至少一个导体。
[0099]
该工艺还可以包括一步骤，将包含一种或多种烯烃化合物的产品流进给至改质单元，并将其分离为改质烯烃流和尾气流。
[0100]
改质单元可以包括吸收器、洗涤器(scrubber)、汽提器(stripper)和冷凝器的组合。
[0101]
因此，提供了一种用于将进料气的裂解快速地从第一稳态反应条件(a)切换为第二稳态反应条件(b)或反之亦然的方法，其中，该裂解为在本文所述的反应器系统中在蒸汽裂解反应条件下，将包含碳氢化合物和蒸汽的进料气的裂解为至少一种烯烃。
[0102]
达到稳态条件被定义为，当主要的工艺参数(诸如进料流量、出口温度和反应物转化率)在随后的一小时达到给定工艺参数的平均工艺值的
±
15％范围内时。
[0103]
本发明的条件a或b涉及一种状态，即系统由一电功率进行加热，该电功率被平衡以便在进料包括总流量为300nm3/h到100 000nm3/h的碳氢化合物和蒸汽的情况下，在介于5barg和150barg之间的压力下，将来自结构体的产品气出口温度加热至300和1300℃之间的温度。当进料穿过整体(monolith，整料)时，其将会朝着反应的平衡方向进行反应。
[0104]
术语“反之亦然”是指该方法在从第一反应条件(a)切换至第二反应条件(b)时，与在从第二反应条件(b)切换至第一反应条件(a)时同样适用。应注意的是，当系统的工艺值已经达到稳态条件的85％以内时，从条件a到条件b的切换被视为完成。
[0105]
反应器系统如上所述；即，其包括容纳有结构体的压力壳体，该结构体被布置为促进进料气(包含碳氢化合物和蒸汽)的反应，所述结构体包括导电材料的宏观结构，所述宏观结构支撑陶瓷涂层，并且其中所述反应器系统在所述结构体和所述压力壳体之间设有隔热。上述与反应器系统相关的所有细节均与本技术相关。
[0106]
本发明该方面的方法包括以下步骤：
[0107]
在所述第一稳态反应条件(a)下：
[0108]-以第一总流量向反应器系统供应所述进料气，以及
[0109]-经由将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体的电导体来供应第一电功率，从而允许第一电流流过所述导电材料，
[0110]
从而将至少部分所述结构体加热至第一温度，在该第一温度下，所述进料气在所述第一稳态反应条件(a)下在所述结构体上被转化为第一产品气混合物；并且，所述第一产品气被从反应器系统排出；
[0111]
以及，在所述第二稳态反应条件(b)下：
[0112]-以第二总流量向反应器系统供应所述进料气，
[0113]-经由将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体的电导体来提供第二电功率，从而允许第二电流流过所述导电材料，
[0114]
从而将至少部分所述结构体加热至第二温度，在该第二温度下，所述进料气在所述第二稳态反应条件(b)下在所述结构体上被转化为第二产品气混合物；并且，所述第二产品气被从反应器系统排出。
[0115]
为了实现第一稳态反应条件(a)和第二稳态反应条件(b)，第二电功率高于所述第一电功率；和/或所述第二总流量高于所述第一总流量。
[0116]
应注意的是，总流量的增加将使冷的进料气的输入增加，从而冷却结构体，并降低反应性，从而达到第二稳态反应条件(b)。流量的显著变化将改变工艺所需的能量。
[0117]
总流量的变化可以包括没有成分变化的总流量变化或具有成分变化的总流量变化，诸如增加循环流量或改变部分进料。
[0118]
在一个实施例中，所述第一反应条件a下的总气体进料流量与所述第二反应条件b下的总气体进料流量的比率(a:b)为至少1:10。因此，在条件a和条件b的之间切换使得能够显著地增加/减少产品气的产量。这在本发明被用于例如能量存储时是有利的，其中来自能源网的多余电能是可用的，并且通过这种方式这些多余电能可以被存储为化学能，或反之亦然，以用于在其他地方需要电能时增加能源网中的电能的可用性。可替代地，该实施例允许使用本发明以便在下游工艺需要的时段供应大量产品气，而在其他情况下使本发明以备用条件进行操作。在对产品气没有持续需求的情况下，这是有利的。
[0119]
在另一实施例中，反应条件b下结构体的产品气出口温度介于50℃至800℃之间，诸如介于100℃到500℃之间，优选地介于150℃到400℃之间，其高于反应条件a下结构体的产品气出口温度。这允许将反应器系统从冷态快速启动到操作状态。这在使系统启动的情况下是有利的，其中启动程序包括以下步骤：
[0120]
·
对不凝结气体中的工艺设施进行加热，使其温度高于满负荷运行时设备稳态条件下的凝点，
[0121]
·
对进料气组分进行加压，
[0122]
·
将进料气组分进给到反应器系统，同时施加第一电功率，
[0123]
·
通过施加第二电功率，切换到更高的操作温度。
[0124]
通过这种方式，启动程序的所有步骤都相对较快。
[0125]
反应条件b下结构体的产品气出口温度通常不高于反应条件a下结构体的产品气出口温度50℃。这允许在条件a和条件b之间进行快速地改变，而不会显著改变系统中的产品气成分。通过这种方式，反应器系统的下游工艺对产品气的需求可以容易地以不同的量进行供应，而不会显著地干扰这些工艺的化学环境。
[0126]
在一个实施例中，反应条件a和反应条件b之间的切换包括总气体供给流量从所述第一总流量逐渐变化到所述第二总流量，以及同时所述导电材料上的被施加的电势从所述第一电功率逐渐变化到所述第二电功率。通过这种方式，在过渡阶段，产品气成分也可以保持几乎恒定。在一个实施例中，以这样一种方式进行逐渐变化，其中以小步骤增加流量，同时增加电功率，以保持结构体的几乎恒定的产品气出口温度。
[0127]
在一个实施例中，结构体包括被布置成生成第一热通量的第一部分和被布置成生成第二热通量的第二部分，其中第一热通量低于第二热通量，并且其中第一部分位于第二部分的上游。这里，术语“第一部分位于第二部分的上游”意指被进给到反应器系统中的气体在到达第二部分之前到达第一部分。结构体的第一部分和第二部分可以是支撑陶瓷涂层的两个不同的宏观结构，其中两个不同的宏观结构可以被布置成对于给定电流和给定电压生成不同的热通量。例如，结构体的第一部分可以具有较大的表面积，而结构体的第二部分具有较小的表面积。这可以通过在第二部分中提供具有小于第一部分横截面积的结构体来实现。可替代地，通过结构体的第一部分的电流路径可以比通过结构体的第二部分的电流路径更直，从而使电流通过结构体的第二部分比通过结构体的第一部分更多地扭曲和缠绕，由此，电流在结构体的第二部分中产生的热量比在第一部分中产生的热量更多。如上文所述，宏观结构中的狭缝或切口可以使电流路径之字形地通过宏观结构。应注意的是，结构体的第一部分和第二部分可以经受不同的电流和电压，以便能够供应不同的热通量。然而，由于如上所述的第一部分和第二部分的不同物理特性，也可以通过供应相同的通过第一部分和第二部分的电流/第一部分和第二部分上的电压来实现第一部分和第二部分的不同热通量。在另一实施例中，结构体包括被布置成生成第三热通量的第三部分，其中第三热通量低于第一热通量和/或第二热通量，并且其中第三部分位于第一部分和/或第二部分的下游。
[0128]
在一个实施例中，反应器系统还包括控制系统，其被布置成控制电源，以确保离开压力壳体的气体温度在预定范围内，和/或确保进料气的转化率在预定范围内。对电源的控制是对电源的电功率输出的控制。对电源的控制可以例如被执行为对电源的电压和/或电流的控制，对打开还是关闭电源的控制，或者它们的组合。被供应给结构体的功率可以呈交流电的形式，或呈直流电的形式。
[0129]
根据一个实施例，比例-积分-微分(pid)控制器基于结构体的产品气出口温度工艺值的进给反馈读数来控制电势。
[0130]
本文所述的方法允许在条件a和条件b之间进行快速切换。因此，适当地，反应条件a和反应条件b之间的切换在少于3小时的时间内进行，诸如少于2小时，诸如少于60分钟，优选地少于30分钟，甚至更优选地少于15分钟。
[0131]
在一个实施例中，反应条件a和反应条件b之间的切换涉及向结构体供应第二电功率。这在保持总流量基本恒定的同时适当地发生。
[0132]
在一个方面，反应条件a和反应条件b之间的切换包括所述反应条件a和所述反应条件b之间的过渡状态；所述过渡状态包括其中电功率被切断的第一时段，随后是第二时段，在第二时段将条件b的所述第二电功率供应给结构体。这允许更快地建立稳态。
[0133]
在一个方面，反应条件a和反应条件b之间的切换包括所述反应条件a和所述反应条件b之间的过渡状态；所述过渡状态包括向所述结构体供应第三电功率的第一时段，随后是第二时段，在第二时段将所述条件b的所述第二电功率供应给结构体，所述第三电功率高于所述第二电功率。这允许更快地建立稳态。
[0134]
该工艺可以包括对产品气进行的进一步步骤，诸如纯化、加压、加热、冷却等，以提供最终产品气，以用于位于本发明反应器系统下游的应用。
[0135]
应注意的是，进料气可以包括各个进料气，并且对进料气进行加压的步骤可以包括单独对各个进料气进行加压。而且，应注意的是，工艺步骤被编写的顺序不一定是工艺步骤发生的顺序，因为两个或多个步骤可能同时发生，或者顺序可能不同于上述顺序。
[0136]
在一个实施例中，工艺包括将压力壳体上游的气体加压到至少2bar的压力的步骤。所选择的操作压力由吸热反应以及反应器在周围工艺步骤中的整合来限定。
[0137]
在根据本发明工艺的一个实施例中，进入反应器系统的进料气温度介于100℃和700℃之间。然而，在所有实施例中，进料气的温度和压力被调整以确保进料气高于露点。
[0138]
在根据本发明工艺的一个实施例中，对结构体进行加热，使结构体的最高温度介于200℃和1300℃之间。所使用的温度将取决于吸热反应。结构体的最高温度取决于导电材料的材料；因此，如果导电材料为铁铬合金(fecralloy)，其在1380℃和1490℃之间熔化(取决于实际的合金)，则最高温度应低于熔点一些，诸如如果导电材料的熔点约为1400℃，则最高温度在约1300℃，因为当接近熔点时，材料将会变得柔软且易延展。最高温度可能额外地受涂层的耐久性限制。
[0139]
在一个实施例中，根据本发明的工艺还包括一步骤，通过压力壳的入口引入冷却气体，以允许冷却气体流过至少一个导体和/或配件。冷却气体可以有利地为氢气、氮气、氨气、甲烷或任何其他适于使至少一个导体周围的面积或区域冷却的气体。进料气的一部分可以作为冷却气体被进给至压力壳体。
[0140]
在根据本发明的一个实施例中，工艺还包括一步骤，通过压力壳体的入口引入冷却气体，以使冷却气体流过至少一个导体和/或配件。冷却气体可以是任何适合的气体；此类气体的示例为氢气、氮气、氨气、甲烷或它们的混合物。冷却气体可以流动通过一个或多个导体，并从内部对它(它们)进行冷却；在这种情况下，一个或多个导体需要是中空的，以容纳在它(它们)内部流动的冷却气体。
[0141]
陶瓷涂层可以是al2o3、zro2、mgal2o3、caal2o3或它们的组合，并且可能与钇、钛、镧或铈的氧化物进行混合。反应器的最高温度可以介于850-1300℃之间。进料气的压力可以为2-180bar，优选地为约5bar。在一个实施例中，所述宏观结构由铁铬铝的合金制成，其支撑zro2和al2o3混合物的陶瓷涂层。
[0142]
附图详细描述
[0143]
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0144]
图1a示出了本发明的反应器系统100的实施例的横截面。反应器系统100包括结构体10，该结构体被布置为宏观结构5的阵列。阵列中的每个宏观结构5都涂覆有陶瓷涂层。此外，反应器系统100包括被连接到电源(图中未示出)以及被连接到结构体10(即，宏观结构的阵列)的导体40、40’。导体40、40’经由配件50被引导通过容纳有结构体的压力壳体20的壁，并通过压力壳体内侧上的隔热材料30。导体40’通过导体接触轨41被连接到宏观结构5的阵列。
[0145]
在一个实施例中，电源供应26v的电压和1200a的电流。在另一实施例中，电源供应5v的电压和240a的电流。电流被引导通过电导体40、40’去往导体接触轨41，并且电流从一个导体接触轨41(例如，从图1a中左侧观察到的导体接触轨)流过结构体10，去往另一导体接触轨41(例如，从图1a中右侧观察到的导体接触轨)。电流可以是交流电，例如在两个方向上交替运行，或者可以是直流电，在两个方向中的任何一个方向上运行。
[0146]
宏观结构5由导电材料制成。特别优选的是由铝、铁和铬组成的康泰尔合金(alloy kanthal，铬铝钴铁合金)。陶瓷涂层例如是被涂覆在结构体5上的氧化物。导体40、40’由诸如铁、铝、镍、铜或它们的合金等的材料制成。
[0147]
在操作期间，包含碳氢化合物和蒸汽的进料气从上方进入反应器系统100，如箭头11所示。产品流从反应器系统的底部离开反应器系统，如箭头12所示。
[0148]
图1b示出了图1a的反应器系统100，其中压力壳体20与隔热层30的一部分被移除，图2是反应器系统100的一部分的放大图。在图1b和图2中，导体40’和导线接触轨41之间的连接比图1a中示出得更清楚。而且，可以观察到导体40在配件50中被引导通过压力壳体的壁，一个导体40在压力壳体内被分成三个导体40’。应注意的是，导体40’的数量可以是任何适合的数量，诸如小于三个或甚至大于三个。
[0149]
在图1a、图1b和图2所示的反应器系统中，导体40、40’被引导通过容纳有结构体的压力壳体20的壁，并经由配件50被引导通过压力壳体内侧上的隔热材料30。进料气经由反应器系统100上部的入口进入反应器系统100，如箭头11所示，被转化后的产品流经由反应器系统100底部的出口离开反应器系统100，如箭头12所示。而且，一个或多个额外入口(图1a至图2中未示出)有利地存在于配件50的附近或与配件50组合。此类额外入口允许冷却气体在压力壳体内在至少一个导体上流动、围绕该至少一个导体流动、在该至少一个导体的附近流动或在该至少一个导体的内部流动，以减少对配件的加热。冷却气体可以例如是氢气、氮气、甲烷或它们的混合物。冷却气体在进入压力壳体时的温度可以是例如约100℃。
[0150]
在图1a至图2所示的反应器系统100中，惰性材料(图1a至图2中未示出)有利地存在于结构体10的下侧与压力壳体的底部之间。而且，惰性材料有利地存在于由宏观结构5的结构体10的外侧与隔热材料30之间。因此，隔热材料30的一侧面向压力壳体20的内侧，隔热材料30的另一侧面向惰性材料。惰性材料为例如陶瓷材料，并且可以是呈颗粒的形式。惰性材料有助于控制反应器系统100上的压降，并有助于控制反应器系统100中的气体流动，使得气体流过结构体10的表面。
[0151]
图3a和图3b示出了本发明反应器系统100’、100”的实施例的示意性横截面，该反应器系统包括结构体10’。结构体10’可以由具有陶瓷涂层的单个宏观结构组成，或者其可以包括两个或多个宏观结构。反应器系统100’、100”中的每一个包括压力壳体20和位于结构体10’和压力壳体20之间的隔热层80。惰性材料90可以用于填充结构体10’与隔热层或压
力壳体20之间的间隙。在图3a和图3b中，惰性材料90由点区域表示；惰性材料90可以呈任何适合的形式，例如以惰性颗粒的形式，并且其例如是由陶瓷材料构成的。惰性材料90有助于控制反应器系统上的压降，并有助于控制反应器系统中的气体流动。而且，惰性材料通常具有隔热效果。
[0152]
从图3a和图3b可以看出，反应器系统100’、100”还包括与结构体10’具有热交换关系的内管15。内管15适于从结构体10’中抽出产品气，使得流动通过一个或多个内管的产品气与在结构体上流动通过的气体具有热交换关系；然而，内管15借助于隔热层80、惰性材料90、间隙或组合与结构体10’电绝缘。这是一种被称为卡口反应器系统的布置。在这种布置中，内管内的产品气有助于对在宏观结构上流动通过的工艺气体进行加热。在图3a和图3b所示的布置中，如箭头11所示，进料气进入反应器系统100’、100”，并如箭头13所示，进料气继续进入结构体10’。在进料气在结构体10’上通过期间，它经历蒸汽裂解反应。离开结构体10’的气体至少部分地被转化为烯烃。如箭头14所示，该至少部分被转化的气体从结构体10’流入内管15，并如箭头12所示，离开内管。即使在内管15和结构体10’之间存在隔热层80，但内管15内的气体与结构体10’内的气体或位于结构体10’上游的气体之间将发生一些热传递。在图3a和图3b所示的实施例中，进料气向下流动通过结构体10’并向上流动通过内管15；然而，可以设想将该构造颠倒过来，使得进料气将向上流动通过结构体10’并向下流动通过内管15。
[0153]
图4和图5示出了结构体的实施例，当分别从上方和从侧面观察时，该结构体包括宏观结构的阵列。图4示出了结构体10，当从上方观察时，即从图1a和图1b中所示的箭头11观察时，该结构体包括宏观结构5的阵列。该阵列具有6行，即1a、1b、1c、1d、1e和1f，其中每行具有五个宏观结构5。每行中的宏观结构5被连接到同一行中与其相邻的一个或多个宏观结构，每行中的最外层的两个宏观结构被连接到导体接触轨41。一排宏观结构中的相邻的宏观结构5借助于连接件3彼此连接。
[0154]
图5示出了结构体10，当从侧面观察时，结构体10具有图4中的宏观结构5的阵列。从图5可以看出，每个宏观结构5垂直于图4中所示的横截面纵向地延伸。每个宏观结构5具有一狭缝60，该狭缝沿着宏观结构的纵向方向切入宏观结构(参见图5)。因此，当由电源进行通电时，电流经由导体接触轨41进入宏观结构5的阵列，被引导向下通过第一宏观结构5直到狭缝60的下限，并随后被引导向上朝向连接件3。电流在阵列10中经由对应的之字形路径被引导向下和向上通过由宏观结构5构成的1a至1f每行中的每个宏观结构5。这种构造有利地增加了结构体10上的电阻。
[0155]
图6以立体图示出了根据本发明的结构体10。结构体10包括涂覆有陶瓷涂层的宏观结构。在结构体内具有通道70，通道70沿着宏观结构5的纵向方向(如图6中箭头表示的“h”所示)延伸；这些通道由壁75限定。在图6所示的实施例中，当从箭头12所指示的流动方向观察时，壁75限定了许多平行的方形通道70。当从上方观察时，结构体10具有基本上为方形的周边，该周边由边缘长度e1和边缘长度e2限定。然而，周边也可以是圆形或其他形状。
[0156]
结构体10的壁75由挤压材料或3d打印材料制成，并涂覆有陶瓷涂层(例如氧化物)，该陶瓷涂层已经被涂覆在宏观结构上。在附图中，未示出陶瓷涂层。陶瓷涂层存在于结构体10内的每个壁上，在操作时气流在每个壁上流动，并与结构体的被加热的表面相互作用。
[0157]
因此，当在用于蒸汽裂解反应的反应器系统中使用时，进料气流动通过通道70，并与结构体的被加热的表面相互作用。
[0158]
在图6所示的结构体10中，狭缝60已经切入结构体10中。该狭缝60迫使电流在宏观结构内采取之字形路径，在这种情况下为向下并随后向上，从而增加电流路径并进而增加电阻，并因此增加宏观结构内的散热。宏观结构内的狭缝60可以设置有被嵌入的绝缘材料，以确保没有电流在狭缝60的横向方向上流动。
[0159]
结构体10中的通道70在两端是开放的。当在反应器系统中使用结构体时，进料气沿着图1a和图1b中箭头11和12所示的方向流动通过单元，并经由与通道70的壁75的接触以及通过热辐射而被加热。热量引发所需的蒸汽裂解反应。通道70的壁75可以例如具有0.5mm的厚度，并且被涂覆在壁75上的陶瓷涂层可以例如具有0.1mm的厚度。尽管箭头11和12(参见图1a和图1b)指示进料气的流动是向下流动的，但相反的流动方向、即向上流动也是可以设想的。
[0160]
图7以立体图示出了图1a和图1b中的结构体10，并且连接器7被附接到结构体。连接器7各自将结构体10的一部分连接到导体40上。导体40都被连接到电源(未示出)。每个连接器7被连接到结构体的上部。当导体40被连接到电源时，电流经由导体被引导到对应的连接器7，并流动通过结构体10。狭缝60在其沿着结构体10高度h的整个长度上阻碍电流在横向方向(图7中的水平方向)上的流动。因此，电流在沿着狭缝60的结构体部分中沿着向下方向(如图7所示)流动，随后电流在狭缝60的下方相对于纵向方向横向地流动(如图7所示)，最后电流沿着结构体的纵向方向向上流动至另一连接器7。图7中的连接器7借助于特别是诸如螺钉和螺栓等的机械紧固装置被机械地紧固到结构体。然而，可以设想附加或可替代的紧固装置。在一个实施例中，电源生成3v的电压和400a的电流。连接器7例如由铁、铝、镍、铜或它们的合金等材料制成。
[0161]
如上文所述，结构体10可以涂覆有陶瓷涂层，诸如氧化物。然而，被连接到连接器7的结构体10的部分不应涂覆有氧化物。相反，结构体的宏观结构应被暴露给连接器7或被直接连接到连接器7，以便在宏观结构与连接器之间获得良好的电气连接。
[0162]
当连接器7和导体40被连接到结构体10的同一端(即上端)时，如图7所示，进入容纳有结构体10的反应器系统的进料气将能够冷却连接器7和导体40。例如，进入此类反应器系统的进料气温度可以为200℃或400℃，并从而将防止连接器7和导体40达到远高于此温度的温度。
[0163]
图8示出了带有连接器7
”’
的结构体10
”’
的另一实施例。结构体10
”’
是如图6所示的结构体。每个连接器7
”’
在其上部具有三个孔，以用于与导体(未示出)连接。电绝缘材料61位于结构体10
”’
的狭缝60(参见图6)内。
[0164]
应注意的是，尽管图中所示的结构体被示出为具有方形横截面的通道，如垂直于z轴所见，但可以设想通道横截面的任何适当形状。因此，结构体的通道可以可替代地例如是三角形、六角形、八角形或圆形，其中三角形、方形和六角形是优选的。
[0165]
提供了以下编号的项目：
[0166]
项目1.一种用于对包含碳氢化合物的进料气进行蒸汽裂解的反应器系统，所述反应器系统包括：
[0167]-进料气的供应部，该进料气包含碳氢化合物和蒸汽；
[0168]-结构体，被布置为用于对包含碳氢化合物的所述进料气进行蒸汽裂解，所述结构体包括导电材料的宏观结构；
[0169]-压力壳体，容纳有所述结构体，所述压力壳体包括用于输入所述进料气的入口和用于输出产品气的出口，其中，所述入口被定位成使得所述进料气在所述结构体的第一端进入所述结构体，所述产品气从所述结构体的第二端离开所述结构体；
[0170]-隔热层，位于所述结构体和所述压力壳体之间；
[0171]-至少两个导体，被电连接到所述结构体以及被电连接到放置在所述压力壳体外部的电源，其中，所述电源的尺寸被设计成通过使电流通过所述宏观结构来将至少部分所述结构体加热到至少500℃的温度，其中，所述至少两个导体在所述结构体上的一位置处被连接到所述结构体，所述位置更靠近所述结构体的所述第一端而不是所述结构体的所述第二端，并且其中，所述结构体被构造成引导电流基本上从一个导体流向所述结构体的第二端，并返回到所述至少两个导体中的第二个导体；以及
[0172]-出口，其用于包括至少一种烯烃化合物的产品流。
[0173]
项目2.根据项目1所述的反应器系统，其中，所述电源的尺寸被设计为将所述结构体的至少部分加热到至少700℃、优选地至少900℃、更优选地至少1000℃的温度。
[0174]
项目3.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述进料气中的碳氢化合物为饱和碳氢化合物，优选地选自石脑油、液化石油气(lpg)、乙烷、丙烷或丁烷。
[0175]
项目4.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述产品流中的烯烃化合物为乙烯、丙烯或丁烯或它们的混合物。
[0176]
项目5.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述宏观结构支撑陶瓷涂层。
[0177]
项目6.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述压力壳体的设计压力介于5和30bar之间。
[0178]
项目7.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述压力壳体的设计压力介于2和30bar之间。
[0179]
项目8.根据项目1至5中任一项所述的反应器系统，其中，所述压力壳体的设计压力介于30和200bar之间。
[0180]
项目9.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述导电材料的电阻率介于10-5
ω
·
m和10-7
ω
·
m之间
[0181]
项目10.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述至少两个导体在配件中被引导通过所述压力壳体，使得所述至少两个导体与所述压力壳体电绝缘。
[0182]
项目11.根据前述项目中任一项所述的的反应器系统，其中，所述压力壳体还包括一个或多个入口，所述一个或多个入口位于至少一个配件的附近或与至少一个配件组合，以允许冷却气体在所述压力壳体内在至少一个导体上流动、围绕所述至少一个导体流动、在所述至少一个导体的附近流动或在所述至少一个导体的内部流动。
[0183]
项目12.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述反应器系统还包括与所述结构体具有热交换关系但与所述结构体电绝缘的内管，所述内管适于从所述结构体中抽出产品气，使得流动通过所述内管的产品气与流动通过所述结构体的气体具有热交换关系。
[0184]
项目13.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述结构体与所述至少两个导体之间的连接是机械连接、焊接连接、钎焊连接或它们的组合。
[0185]
项目14.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述导电材料包括3d打印的宏观结构或挤压和烧结的宏观结构，所述宏观结构支撑陶瓷涂层。
[0186]
项目15.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述陶瓷涂层选自zro2、al2o3、mgal2o4、caal2o4或它们的混合物。
[0187]
项目16.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述结构体包括彼此电连接的宏观结构阵列。
[0188]
项目17.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述结构体具有至少一个电绝缘部分，所述至少一个电绝缘部分被布置成引导电流通过所述结构体，以确保对于所述结构体长度的至少70％，主电流路径的电流密度向量具有平行于所述结构体长度的非零分量值。
[0189]
项目18.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述宏观主体具有多个平行通道、多个非平行通道和/或多个迷宫通道。
[0190]
项目19.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述宏观结构的材料被选择为一材料，所述材料被布置成通过所述材料的电阻加热生成500至50000w/m2的热通量。
[0191]
项目20.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述结构体包括被布置成生成第一热通量的第一部分和被布置成生成第二热通量的第二部分，其中，所述第一热通量低于所述第二热通量，并且其中，所述第一部分位于所述第二部分的上游。
[0192]
项目21.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述结构体包括被布置成生成第三热通量的第三部分，其中，所述第三热通量低于所述第一热通量和/或所述第二热通量，并且其中，所述第三部分位于所述第一部分和/或所述第二部分的下游。
[0193]
项目22.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述反应器系统还包括一控制系统，所述控制系统被布置为控制电源，以确保离开所述压力壳体的气体温度在预定范围内，和/或确保所述进料气的转化率在预定范围内。
[0194]
项目23.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述反应器系统内的结构体具有所述结构体的水平横截面的面积等效直径与所述结构体高度之间的比率，所述比率在0.1至2.0范围内。
[0195]
项目24.根据前述项目中任一项所述的反应器系统，其中，所述反应器系统的高度介于0.5至7m之间，更优选地介于0.5至3m之间。
[0196]
项目25.一种工艺，用于在前述项目中任一项所述的反应器系统中，在蒸汽裂解反应条件下，对包含碳氢化合物和蒸汽的进料气进行蒸汽裂解；所述工艺包括以下步骤：
[0197]-对所述进料气进行加压，
[0198]-向所述反应器系统供应所述被加压的进料气，
[0199]-经由将放置在所述压力壳体外部的电源连接到所述结构体的电导体来供应电功率，使电流流过所述导电材料，从而将所述结构体的至少部分加热至一温度，所述温度足以使所述进料气在所述结构体上经历蒸汽裂解反应，
[0200]-使所述进料气在所述结构体上经历蒸汽裂解反应，以及
[0201]-从所述反应器系统排出包括至少一种烯烃化合物的产品流。
[0202]
项目26.根据项目25所述的工艺，其中，所述进料气被加压至介于2和30bar之间的压力。
[0203]
项目27.根据项目25所述的工艺，其中，所述进料气被加压至介于30和200bar之间的压力。
[0204]
项目28.根据项目25至27中任一项所述的工艺，其中，所述结构体的至少部分被加热到至少700℃、优选地至少900℃、更优选地至少1000℃的温度。
[0205]
项目29.根据项目25至28中任一项所述的工艺，还包括这一步骤，通过所述压力壳体的入口引入冷却气体，以使所述冷却气体流过至少一个导体。
[0206]
尽管已经通过对各种实施例和示例进行相当详细的描述来说明本发明，但申请人不旨在将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到此类细节。本领域技术人员将容易地想到附加的优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性方法和说明性示例。因此，在不背离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离此类细节。