【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过热裂解由烃生产氢。本专利技术可以体现在例如用于生产氢的反应器、用于生产氢的方法、和用于生产氢的系统中。
技术介绍
1、氢可用作燃料，用于化学加工和用于其他应用。然而，自然界中仅有限量的元素氢可自由获得。目前，工业中使用的所有氢中的大于96％由化石资源产生。呈其纯净形式或作为天然气组分的甲烷(ch4)是大规模氢生产的主要来源之一。蒸汽甲烷重整(steammethane reforming，smr)(参见式1)是用于氢生产的主导方法(全球总产量的48％)。
2、ch4+2h2o→co2+4h2δh°＝165kj/mol (1)
3、smr工艺不期望地排放温室气体并消耗大量水。在化学计量条件下，smr工艺每kgch4产生0.5kg h2。商业过程每kg h2排放9kg至14kg co2。此外，smr工艺需要水在水煤气变换反应中将一氧化碳氧化为二氧化碳。水生命周期评估表明，smr工艺每kg h2需要18kg至32kg水。
4、存在多种能够由烃大量生产氢的替代技术。这些技术在成本和生命周期co2排放方面各不相同。这些技术中的一些为：煤气化、生物质气化和甲烷热裂解。
5、可以将smr、煤和生物质气化技术与碳捕获和封存(carbon capture andsequestration，ccs)技术相结合，以减少其co2排放。然而，ccs显著增加了基础设施的资本成本，并涉及大量的运行费用。因此，在提供ccs的情况下，氢生产成本增加。2017年的研究表明，用ccs的smr工
6、甲烷热裂解有希望以比smr更低的成本和更低的co2排放用于生产氢。以下参考文献讨论了通过使甲烷与热熔融介质接触而进行的甲烷热裂解：
7、·b.parkinson，j.w.matthews，t.b.mcconnaughy，d.c.upham，e.w.mcfarland，techno-economic analysis of methane pyrolysis in molten metals：decarbonizingnatural gas，chem.eng.technol.40，no.6(2017)1022-1030.doi：10.1002/ceat.201600414.
8、·r.dagle，v.dagle，m.bearden，j.holladay，t.krause，s.ahmed，r&dopportunities for development of natural gas conversion technologies for co-production of hydrogen and value-added solid carbon products，阿贡国家实验室，u.s.，2017.
9、·d.paxman，experimental and theoretical investigation of solar moltenmedia methane cracking for hydrogen production，艾伯塔大学，2014.doi：10.1016/j.egypro.2014.03.215.
10、·u.p.m.ashik，w.m.a.wan daud，h.f.abbas，production of greenhouse gasfree hydrogen by thermocatalytic decomposition of methane-a review，renew.sustain.energy rev.44(2015)221-256.doi：10.1016/j.rser.2014.12.025.
11、·m.serban，m.a.lewis，c.l.marshall，r.d.doctor，hydrogen production bydirect contact pyrolysis of natural gas，energy and fuels.17，no.3(2003)705-713.doi：10.1021/ef020271q.
12、·d.c.upham，v.agarwal，a.khechfe，z.r.snodgrass，m.j.gordon，h.metiu，e.w.mcfarland，catalytic molten metals for the direct conversion of methane tohydrogen and separable carbon，science 358(2017)917-921.doi：10.1126/science.aao5023.
13、这些出版物中报道的实验和技术经济分析表明，通过使甲烷与热熔融介质接触进行甲烷的热裂解可以奏效。然而，问题仍然存在。一个问题是炭黑的积累可能通过干扰热传递和产生堵塞来干扰氢生产。
14、需要适用于大规模生产氢的改进技术。特别需要这样的产生氢的实用技术：所述技术排放较少的co2并且具有成本效益。
技术实现思路
1、本专利技术有多个方面。这些包括但不限于：
2、·用于通过热裂解的氢生产的方法；
3、·用于通过热裂解的氢生产的系统；
4、·用于通过热裂解的氢生产的反应器；
5、·用于分离热裂解反应的产物的分离系统。
6、本专利技术的一个方面提供了通过使烃与热液体介质接触来使烃热裂解的系统和方法，其包括用于补偿烃和热液体介质的混合物的体积变化的特征。体积的变化可以例如由供应烃的速率的变化引起。该方面可以应用于各种类型的反应器，包括鼓泡塔反应器、活塞流反应器、毛细管反应器和循环反应器。以下描述提供了将这样的体积补偿特征包括在包括由本专利技术人开发的循环流动反应器类型的系统中以及应用其他类型反应器的系统中的方式的实例。
7、用于补偿烃和热液体介质的混合物的体积变化的特征可以例如应用于用于使烃热裂解以生产氢气的方法中，所述方法包括：将熔融介质加热至足以使烃热裂解的运行温度；将烃混合到经加热的熔融介质中；将混合的熔融介质和烃泵送以流过反应器，使得烃热裂解以产生碳和氢气；以及从已经穿过反应器的熔融介质中分离碳和氢气。
8、用于补偿烃和热液体介质的混合物的体积变化的特征可以例如应用于用于使烃热裂解以生产氢气的方法中，所述方法包括：将熔融介质泵送以流过反应器；将烃在反应器处或反应器的上游混合到熔融介质中，使得混合的烃和熔融介质被运送通过反应器；至少在将混合的烃和熔融介质运送通过反应器时，将在反应器的至少一部分内的熔融介质的温度保持在足以使烃热裂解的运行温度，使得混合的熔融介质和烃中的烃热裂解以产生碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于使烃热裂解以生产氢气的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述熔融介质置于与顶部处于所述期望液位的堰流体连通的所述反应器中，并允许熔融介质从所述反应器中溢流出所述堰进入存储罐中。
3.根据权利要求2所述的方法，包括将所述熔融介质从所述存储罐泵送回到所述反应器中。
4.根据权利要求3所述的方法，包括在所述反应器运行的同时基本上连续地进行所述泵送。
5.根据权利要求3所述的方法，包括当所述反应器在稳态条件下运行时的至少一些时间中断所述泵送。
6.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，包括在允许所述熔融介质溢流出所述堰之前，使所述熔融介质流过捕集器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述捕集器为U形捕集器。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，包括将所述存储罐中的所述熔融介质的液位升高至高于所述堰，使得所述熔融介质从所述存储罐流过所述堰回到所述反应器中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述存储罐包括第一分路和第二分路，以及将所述存储罐中的所述熔融
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，包括在所述反应器的顶部空间中收集所述碳和过程气体。
11.根据权利要求10所述的方法，包括允许所述碳漂浮在所述反应器的顶部空间中的所述熔融介质的表面上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，包括在所述反应器中保持所述混合的熔融介质和烃的湍流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少3000。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少10000。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少50000。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中在不存在所述烃的情况下所述熔融介质的流量足以在所述反应器中维持所述湍流。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，包括通过施加机械力或磁力或电磁力或重力来泵送所述熔融介质以将所述熔融介质流驱动通过所述反应器。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，包括通过叶轮、螺杆、活塞式螺旋桨、桨叶、波纹管或其他机械泵机构使所述熔融介质移动来将所述熔融介质泵送通过所述反应器。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，包括在所述反应器中通过使所述烃热裂解来产生所述氢气和碳，其中所述热裂解主要发生在所述熔融介质的主体中。
20.根据权利要求9所述的方法，其中至少65％的所述热裂解发生在所述熔融介质的主体中。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中将所述烃混合到所述熔融介质中包括将所述烃的气泡引入到所述熔融介质中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述气泡的尺寸在面积方面为其中所述混合的熔融介质和烃流过所述反应器的所述反应器中通道的截面积的至少1/25。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的方法，其中引入所述气泡包括将所述烃在压力下输送至所述熔融介质中的气泡发生器。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述气泡发生器包括多孔金属或陶瓷。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述多孔金属或陶瓷的孔尺寸在约2微米至约50微米的范围内。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述气泡发生器包括以下中的一者或更多者：分布器、旋转脱气器、烧结金属分布器、多孔金属构件和多孔陶瓷构件。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其中所述气泡的直径在1微米至5毫米的范围内。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中所述反应器包括复数个导管，以及所述方法包括使所述混合的熔融介质和烃的部分流过所述导管中的每一者。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述导管限定了足够大的尺寸的通道，以允许0.7英寸直径的球体沿着所述导管通过而不接触所述导管的壁。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中将所述混合的熔融介质和烃泵送通过所述反应器包括使所述混合的熔融介质和烃在所述反应器中竖直地流动。
31.根据权利要求30所述的方法，其中使所述混合的熔融介质和烃在所述反应器中竖直地流动...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于使烃热裂解以生产氢气的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述熔融介质置于与顶部处于所述期望液位的堰流体连通的所述反应器中，并允许熔融介质从所述反应器中溢流出所述堰进入存储罐中。
3.根据权利要求2所述的方法，包括将所述熔融介质从所述存储罐泵送回到所述反应器中。
4.根据权利要求3所述的方法，包括在所述反应器运行的同时基本上连续地进行所述泵送。
5.根据权利要求3所述的方法，包括当所述反应器在稳态条件下运行时的至少一些时间中断所述泵送。
6.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，包括在允许所述熔融介质溢流出所述堰之前，使所述熔融介质流过捕集器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述捕集器为u形捕集器。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，包括将所述存储罐中的所述熔融介质的液位升高至高于所述堰，使得所述熔融介质从所述存储罐流过所述堰回到所述反应器中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述存储罐包括第一分路和第二分路，以及将所述存储罐中的所述熔融介质的液位升高至高于所述堰包括在所述第一分路和所述第二分路的顶部空间中产生压差。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，包括在所述反应器的顶部空间中收集所述碳和过程气体。
11.根据权利要求10所述的方法，包括允许所述碳漂浮在所述反应器的顶部空间中的所述熔融介质的表面上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，包括在所述反应器中保持所述混合的熔融介质和烃的湍流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少3000。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少10000。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应器中的所述熔融介质的流量使得所述熔融介质流的特征在于雷诺数为至少50000。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中在不存在所述烃的情况下所述熔融介质的流量足以在所述反应器中维持所述湍流。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，包括通过施加机械力或磁力或电磁力或重力来泵送所述熔融介质以将所述熔融介质流驱动通过所述反应器。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，包括通过叶轮、螺杆、活塞式螺旋桨、桨叶、波纹管或其他机械泵机构使所述熔融介质移动来将所述熔融介质泵送通过所述反应器。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，包括在所述反应器中通过使所述烃热裂解来产生所述氢气和碳，其中所述热裂解主要发生在所述熔融介质的主体中。
20.根据权利要求9所述的方法，其中至少65％的所述热裂解发生在所述熔融介质的主体中。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中将所述烃混合到所述熔融介质中包括将所述烃的气泡引入到所述熔融介质中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述气泡的尺寸在面积方面为其中所述混合的熔融介质和烃流过所述反应器的所述反应器中通道的截面积的至少1/25。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的方法，其中引入所述气泡包括将所述烃在压力下输送至所述熔融介质中的气泡发生器。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述气泡发生器包括多孔金属或陶瓷。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述多孔金属或陶瓷的孔尺寸在约2微米至约50微米的范围内。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述气泡发生器包括以下中的一者或更多者：分布器、旋转脱气器、烧结金属分布器、多孔金属构件和多孔陶瓷构件。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其中所述气泡的直径在1微米至5毫米的范围内。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中所述反应器包括复数个导管，以及所述方法包括使所述混合的熔融介质和烃的部分流过所述导管中的每一者。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述导管限定了足够大的尺寸的通道，以允许0.7英寸直径的球体沿着所述导管通过而不接触所述导管的壁。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中将所述混合的熔融介质和烃泵送通过所述反应器包括使所述混合的熔融介质和烃在所述反应器中竖直地流动。
31.根据权利要求30所述的方法，其中使所述混合的熔融介质和烃在所述反应器中竖直地流动包括使所述混合的熔融介质和烃在竖直向上的方向上流过所述反应器。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，包括使所述混合的熔融介质和烃流过所述反应器中的水平延伸的通道。
33.根据权利要求32所述的方法，包括将所述熔融介质流平均地分配在复数个水平延伸的通道中。
34.根据权利要求32或33所述的方法，其中所述水平延伸的通道包括水平管。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的方法，包括在所述反应器中向所述熔融介质添加热。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的熔融温度为1200℃或更低。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的方法，其中所述熔融介质包含熔融金属。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述熔融金属包括锡、铝、或锌。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述熔融金属选自：pb、sn、in、bi、ga、ag、al、zn、pt合金、ni合金、cu-sn合金及其混合物。
40.根据权利要求1至39中任一项所述的方法，其中所述熔融介质包含盐。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述盐选自：licl、kcl、kbr和nabr。
42.根据权利要求1至41中任一项所述的方法，其中所述熔融介质包含催化所述烃的所述热裂解的催化剂。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述催化剂包含分散在所述熔融介质中的固体颗粒。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述固体颗粒包括基于镍的催化剂和/或基于铂的催化剂。
45.根据权利要求1至44中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的沸点为至少1000℃。
46.根据权利要求1至45中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的密度在约2000kg/m3至8000kg/m3的范围内。
47.根据权利要求1至46中任一项所述的方法，其中所述熔融介质在所述运行温度下的动态粘度为0.2mpa·秒至20mpa·秒或更小。
48.根据权利要求1至47中任一项所述的方法，其中所述熔融介质在所述运行温度下的蒸气压为200pa或更小。
49.根据权利要求1至48中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的表面张力为至少300mn/m。
50.根据权利要求1至49中任一项所述的方法，其中氢在所述运行温度下在所述熔融介质中的溶解度为50×10-2mlstp/g金属或更小。
51.根据权利要求1至50中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的比热容cp为至少250j/kg·k。
52.根据权利要求1至51中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的热导率为至少20w/(m·k)。
53.根据权利要求1至52中任一项所述的方法，其中所述熔融介质的热扩散率为至少1×10-5m2/秒。
54.根据权利要求1至53中任一项所述的方法，其中当所述熔融介质穿过所述反应器时，所述熔融介质的温度为至少600℃。
55.根据权利要求54所述的方法，其中当所述熔融介质穿过所述反应器时，所述熔融介质的温度为至少800℃。
56.根据权利要求54所述的方法，其中当所述熔融介质穿过所述反应器时，所述熔融介质的温度在800℃至1600℃的范围内。
57.根据权利要求1至56中任一项所述的方法，其中所述烃包括甲烷。
58.根据权利要求1至56中任一项所述的方法，其中所述烃包括天然气。
59.根据权利要求1至58中任一项所述的方法，包括在将所述烃混合到所述熔融介质中之前将所述烃预热。
60.根据权利要求1至59中任一项所述的方法，其中所述反应器包括复数个导管，以及所述方法包括对所述熔融介质进行分配，使得循环熔融介质的部分流过所述复数个导管中的每一者。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述导管包括平行导管，以及所述平行导管的宽度与高度之比为至少20:1。
62.根据权利要求60或61所述的方法，其中熔融介质和烃的混合物在所述复数个导管的每一者中的停留时间在0.1秒至100秒的范围内。
63.根据权利要求60至62中任一项所述的方法，其中所述熔融介质在所述复数个导管中的速度在0.01m/秒至10m/秒的范围内。
64.根据权利要求1至63中任一项所述的方法，其中将所述烃混...
【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔特·R·梅里达多尼斯，阿米尔侯赛因·沙拉菲亚纳达卡尼，奥马尔·埃雷拉，魏恺，
申请(专利权)人：不列颠哥伦比亚大学，
类型：发明
国别省市：
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