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特表2024-517402モジュール式触媒加熱システムを使用した電動式化学反応器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-04-22
(54)【発明の名称】モジュール式触媒加熱システムを使用した電動式化学反応器
(51)【国際特許分類】
B01J 35/50 20240101AFI20240415BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20240415BHJP
C01B 32/40 20170101ALI20240415BHJP
C01B 3/40 20060101ALI20240415BHJP
B01J 23/755 20060101ALI20240415BHJP
B01J 35/61 20240101ALI20240415BHJP
【ＦＩ】
B01J35/50 311
C01B3/02 B
C01B32/40
C01B3/40
B01J23/755 M
B01J35/61
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023563264
(86)(22)【出願日】2022-04-15
(85)【翻訳文提出日】2023-12-07
(86)【国際出願番号】 US2022025133
(87)【国際公開番号】W WO2022221740
(87)【国際公開日】2022-10-20
(31)【優先権主張番号】63/175,222
(32)【優先日】2021-04-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523388951
【氏名又は名称】リディアン ラブス，インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ズギッチ，ブランコ
【テーマコード（参考）】
4G140
4G146
4G169
【Ｆターム（参考）】
4G140EA03
4G140EA05
4G140EB14
4G140EC08
4G146JA01
4G146JB04
4G146JC02
4G146JC21
4G146JC34
4G169AA11
4G169BC68
4G169BC68A
4G169EC02X
4G169EC03X
4G169EC04X
4G169EE03
4G169EE09
(57)【要約】
複数の触媒モジュールを含む反応器システムであって、複数の触媒モジュールが、端部と端部が接続されて、反応物が個々の加熱された触媒加熱要素を通り抜けるための流路を形成し、以て生成物を生成する、反応器システム。各触媒モジュールは、触媒加熱要素を収容し、反応物を触媒加熱要素にわたって通すように構成された断熱ハウジングを有する。モジュール内の導体は、電気を触媒加熱要素に印加し、触媒加熱要素は、組み合わされた触媒物質と加熱要素として動作する。
【選択図】図５
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のスペーサ及び第２のスペーサを接続する断熱ハウジングと、触媒加熱要素であって、前記断熱ハウジング内に収容され、反応物が前記触媒加熱要素内を通ることができるように構成された触媒加熱要素と、
導体であって、電力が前記導体に印加されたときに電力を前記触媒加熱要素に印加するように構成された導体とを備え、
前記触媒加熱要素は、加熱要素と触媒物質との組合せである、触媒モジュール。
【請求項2】
前記導体は、電力の前記印加を通じて前記触媒加熱要素を加熱する、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項3】
前記加熱は、抵抗性、又は誘導性である、請求項２に記載の触媒モジュール。
【請求項4】
前記触媒加熱要素は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｎ、Ｉｎ、又はＺｎのうちの少なくとも１つを含む、金属構造又はセラミック構造である、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項5】
前記触媒加熱要素は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｃｅ、又はＺｎのうちの少なくとも１つを含む、金属酸化物コーティング又は構成要素を有する、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項6】
前記触媒加熱要素は、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｐ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔａ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｃｅ、又はＮｂのうちの少なくとも１つを含む促進添加物を含む、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項7】
前記触媒加熱要素は、１ミクロンから１メートルの範囲のサイズを有する３次元構造を生み出すために、型取り、３Ｄプリント、押出し成形、ボール・ミリング、焼結、脱合金化、冶金発泡成形、粉末冶金、ポリマー・スポンジ型取り、ダイレクト・インク・ライティングによって作り上げられる、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項8】
前記触媒加熱要素は、階層的に構造化される、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項9】
前記階層的な構造化は、ディップ・コーティング、腐食、電気めっき、電解酸化、電解還元、ガルバニック置換、湿式含浸、又は堆積析出のうちの少なくとも１つを含む表面処理によって達成される、請求項８に記載の触媒モジュール。
【請求項10】
前記階層的な構造化は、構造、孔サイズ、組成、表面積、又は活物質に関わる、請求項８に記載の触媒モジュール。
【請求項11】
前記触媒加熱要素は、高表面積を有する、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項12】
前記表面積は、０．０１～１０００ｍ２／ｇである、請求項１１に記載の触媒モジュール。
【請求項13】
前記断熱ハウジングをふさぐ第１のスペーサ及び第２のスペーサをさらに含み、前記触媒モジュールは、前記第１のスペーサ、前記第２のスペーサ、又は両方のスペーサで第２の触媒モジュールと接続するように構成される、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項14】
前記第１のスペーサ、前記第２のスペーサ、又は前記断熱ハウジングのうちの少なくとも１つはセラミックである、請求項１３に記載の触媒モジュール。
【請求項15】
前記導体は、前記触媒加熱要素内で中心を占めている、請求項１に記載の触媒モジュール。
【請求項16】
反応器であって、複数の請求項１の前記触媒モジュールであって、端部と端部が接続され、反応物が個々の触媒加熱要素を通り抜けるための流路を形成する、複数の請求項１の前記触媒モジュールと、
反応物を受け入れるための、前記反応器の近位端にある入口と、
電力の印加を通じて加熱された前記個々の触媒加熱要素の中を反応物が通り抜けることによって生成された生成物を出力するための、前記反応器の遠位端にある出口とを備え、
各導体は、電力が他の触媒加熱要素に印加されるのとは無関係に、その触媒加熱要素に電力を印加する、反応器。
【請求項17】
０～２５００℃の範囲内の温度、及び１～５００ｂａｒの範囲内の圧力で動作されるように構成されている、請求項１６に記載の反応器。
【請求項18】
気固相互作用、及び内部混合を促進するように構成された形状を有する、請求項１６に記載の反応器。
【請求項19】
電力は、前記触媒加熱要素のそれぞれに等しく供給される、請求項１６に記載の反応器。
【請求項20】
電力は、加熱要件に基づいて、前記触媒加熱要素のそれぞれに供給される、請求項１６に記載の反応器。
【請求項21】
前記反応器は、環帯及び中心を有するチューブインチューブ構成であり、前記環帯及び前記中心は、異なる物質で充填されており、
反応器システムは、コンパクトで、電動の、二段反応器システムである、請求項１６に記載の反応器。
【請求項22】
前記反応器は、前記中心において発熱反応を誘導し、前記中心から熱を放出し、前記放出された熱を効率的に吸熱工程に移すように構成されている、請求項２１に記載の反応器。
【請求項23】
逆方向の水－気体シフト反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換するための方法であって、ＣＯ２とＨ２との混合物を請求項１４の前記反応器に送り込むことと、
ＣＯ２とＨ２との前記混合物を前記反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、
抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒加熱要素内に熱を発生させることにより、逆方向の水－気体シフト反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換することとを含む方法。
【請求項24】
乾式メタン改質反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換するための方法であって、ＣＯ２とＣＨ４との混合物を請求項１４の前記反応器に送り込むことと、
ＣＯ２とＣＨ４との前記混合物を前記反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、
抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒加熱要素内に熱を発生させることにより、乾式メタン改質反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換することとを含む方法。
【請求項25】
熱化学的水分解反応を介して、Ｈ２ＯをＨ２に変換するための方法であって、Ｈ２Ｏを請求項１４の前記反応器に送り込むことと、
前記Ｈ２Ｏを、前記反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、
抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒加熱要素内に熱を発生させることにより、熱化学的水分解反応を介して、Ｈ２ＯをＨ２に変換することとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２１年４月１５日に出願された米国仮特許出願第６３／１７５、２２２号の利益、及び同出願に対する優先権を主張し、その開示全体は、その全体が本明細書に記載されているかのように、参照によりここに組み込まれる。
【0002】
本出願は、一般に、化学反応器に関し、より詳細には、排他的ではないが、１つ又は複数の触媒モジュールを利用する電気加熱式化学反応器に関する。
【背景技術】
【0003】
商品、及び／又は精製化学製品の生産のために使用される多くの化学反応器は、天然ガス、石油、石炭などの化石燃料の、熱のための又はエネルギー供給のための燃焼に依存する。触媒へのこの熱の移動、及び反応物の流れは、いくつかを挙げると、燃焼器の効率が限定的であることと、周囲空気、反応器の壁、及び反応器内の不活性充填材への熱移動損失とのために非効率であることが多い。これは、反応器システムの不十分な熱効率をもたらす。その上、触媒の効果は、質量移動限界に起因して制限されることがある。
【0004】
総合エネルギー効率を改善するため、化石燃料駆動式化学工場は、高価な熱交換装置、蒸気管理システム、及び他のシステム／工程制御を利用する。結果として、規模の経済を活用するために、大きな集中型化学工場が必要となる。運転開始－停止事象の不十分なハンドリングのために、これらの工場は、極めて高い能力係数で運転されなければならない。
【0005】
化石燃料ベースの反応器システムのカーボン・フットプリントはかなり大きい。いくつかの場合では、化学工場から放出されたＣＯ２のうち４０％を超えるＣＯ２が、燃料の燃焼に起因すると考えられる。これにより、低いＣＯ２濃度と、燃焼排気流に存在する不純物とに起因して、脱炭素を行うことを難しくするＣＯ２流が生み出される。世界規模にわたるＣＯ２放出が増大するにつれ、これらの捕捉困難な放出は、現存の化学工場に課される追加コストになりそうである。
【0006】
化石燃料駆動式熱供給に対する代替手段は、電気によって熱を提供することである。再生可能エネルギーの利用可能性が高まっているため、反応器システムの電化が財政上及び環境上の両方の理由で興味深くなる。費用対効果が大きい方式で、工程効率の向上をシステムにもたらすために、関連する反応器構成要素（すなわち、触媒と反応物とのインターフェース）に対する電動式熱供給を最適化しなければならない。
【0007】
これまでの電化の試みは、カートリッジスタイルの加熱要素か、抵抗加熱反応器チューブか、ヒート・ポンプ、又は誘導ベースの加熱を受けやすい物質でできている、従来の触媒ナノ粒子か、などの電気加熱構成要素の導入を考慮する。これらのシステム設計は、ある程度の電化を提供するが、それらすべてには、効率限界－例えば、エネルギー効率、触媒利用効率、質量移動効率のうちの少なくとも１つ－又は、ホット・スポットの形成、劣悪な熱分布、及び貧弱な工程制御システムなどの動作上の難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許出願第１５／７９０，８１０号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0009】
この概要は、詳細説明節でさらに以下に説明される簡略的な形態における概念の抜粋を紹介するために提供されるものである。この概要は、特許請求された主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定又は除外することを意図するものではなく、特許請求された主題の範囲を決定する際の助力として使用されることを意図するものでもない。
【0010】
本開示は、電動式熱変換システムを使用する化学変換のためのシステム及び方法に関し、より詳細には、再生エネルギーを使用して、炭素ベースの供給原料（例えば、天然ガス、ＣＯ２）を燃料及び化学製品に変換するシステム及び方法に関する。本発明の主題は、いくつかの場合には、相互に関係のある生成物、特定の問題に対する代替的な解決策、並びに／又は１つ若しくは複数のシステム及び／若しくは物品の複数の異なる使用を伴う。
【0011】
１つの態様では、本発明の実施例は、断熱ハウジングと、断熱ハウジング内に収容され、反応物が中を通ることができるように構成された触媒加熱要素と、電気を触媒加熱要素に印加するように構成された導体とを有する触媒モジュールに関し、触媒加熱要素は、加熱要素と触媒物質との組合せであり、触媒モジュールは、第２の触媒モジュールと接続するように構成される。
【0012】
いくつかの実施例では、導体は、電力の印加を通じて触媒加熱要素を加熱する。加熱は、抵抗性、又は誘導性である場合がある。
【0013】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｎ、Ｉｎ、又はＺｎのうちの少なくとも１つを含む、金属構造又はセラミック構造である。
【0014】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｃｅ、又はＺｎのうちの少なくとも１つを含む、金属酸化物コーティング又は構成要素を有する。
【0015】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｐ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔａ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｃｅ、又はＮｂのうちの少なくとも１つを有する促進添加物を含む。
【0016】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、１ミクロンから１メートルの範囲のサイズを有する３次元構造を生み出すために、型取り、３Ｄプリント、押出し成形、ボール・ミリング、焼結、脱合金化、冶金発泡成形、粉末冶金、ポリマー・スポンジ型取り、又はダイレクト・インク・ライティングによって作り上げられる。
【0017】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、階層的に構造化される。階層的な構造化は、ディップ・コーティング、腐食、電気めっき、電解酸化、電解還元、ガルバニック置換、湿式含浸、堆積析出、又は他の表面改質技法を含み得る表面処理によって達成され得る。階層的な構造化は、構造、孔サイズ、組成、表面積、又は活物質に関わり得る。
【0018】
いくつかの実施例では、触媒加熱要素は、高表面積を有する。高表面積は、０．０１～１０００ｍ２／ｇであり得る。
【0019】
いくつかの実施例では、触媒モジュールは、断熱ハウジングをふさぐ第１のスペーサ及び第２のスペーサを含み、触媒モジュールは、第１のスペーサ、第２のスペーサ、又は両方のスペーサで第２の触媒モジュールと接続するように構成される。いくつかの実施例では、第１のスペーサ、第２のスペーサ、又は断熱ハウジングのうちの少なくとも１つはセラミックである。
【0020】
いくつかの実施例では、導体は、触媒加熱要素内で中心を占めている。
【0021】
別の態様では、本発明の実施例は、反応器であって、複数の前述の触媒モジュールと、反応物を受け入れるための、反応器の近位端にある入口と、生成物を出力するための、反応器の遠位端にある出口とを有する反応器に関する。複数の触媒モジュールは、端部と端部が接続され、反応物が個々の触媒加熱要素を通り抜けるための流路を形成する。各導体は、電力が他の触媒加熱要素に印加されるのとは無関係に、その触媒加熱要素に電力を印加する。生成物は、個々の触媒加熱要素が電力の印加を通じて加熱されたときに、反応物が個々の触媒加熱要素の中を通り抜けることによって生成される。
【0022】
いくつかの実施例では、反応器は、０～２５００℃の範囲内の温度、及び１～５００ｂａｒの範囲内の圧力で動作されるように構成される。
【0023】
いくつかの実施例では、反応器は、気固相互作用、及び内部混合を促進するように構成された形状を有する。
【0024】
いくつかの実施例では、電力は、触媒加熱要素のそれぞれに等しく供給される。
【0025】
いくつかの実施例では、電力は、加熱要件に基づいて、触媒加熱要素のそれぞれに供給される。
【0026】
いくつかの実施例では、反応器は、環帯及び中心を有するチューブインチューブ構成であり、環帯及び中心は、異なる物質で充填されており、反応器システムは、コンパクトで、電動の二段反応器システムである。いくつかの実施例では、反応器は、中心において発熱反応を誘導し、中心から熱を放出し、放出された熱を効率的に吸熱工程に移すように構成される。
【0027】
さらに別の態様では、本発明の実施例は、逆方向の水－気体シフト反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換するための方法に関する。方法は、ＣＯ２とＨ２との混合物を前述の反応器システムに送り込むことと、ＣＯ２及びＨ２を、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させることにより、逆方向の水－気体シフト反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換することとを含む。
【0028】
別の態様では、本発明の実施例は、乾式メタン改質反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換するための方法に関する。方法は、ＣＯ２とＣＨ４との混合物を前述の反応器システムに送り込むことと、ＣＯ２及びＣＨ４を、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させることにより、乾式メタン改質反応を介して、ＣＯ２をＣＯに変換することとを含む。
【0029】
さらに別の態様では、本発明の実施例は、熱化学的水分解反応を介して、Ｈ２ＯをＨ２に変換するための方法に関する。方法は、Ｈ２Ｏを前述の反応器システムに送り込むことと、Ｈ２Ｏを、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって通すことと、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させることにより、熱化学的水分解反応を介して、Ｈ２ＯをＨ２に変換することとを含む。
【0030】
本発明の限定的でなく、網羅的でない実施例を、下記の図面を参照して説明する。同様の参照番号は、別様に明記されていない限り、さまざまな図全体を通じて同様の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】一実施例による抵抗加熱触媒モジュールを示す図である。
【図2】一実施例による誘導加熱触媒モジュールを示す図である。
【図3】一実施例によるらせん状構造の触媒加熱要素を示す図である。
【図4A】さまざまな実施例による、さまざまな温度、構造、又は組成を有する異なる反応器において触媒モジュールの構成を示す図である。
【図4B】さまざまな実施例による、さまざまな温度、構造、又は組成を有する異なる反応器において触媒モジュールの構成を示す図である。
【図4C】さまざまな実施例による、さまざまな温度、構造、又は組成を有する異なる反応器において触媒モジュールの構成を示す図である。
【図5】他の触媒モジュールを用いた反応器構成における触媒モジュールの分解図である。
【図6】一実施例による、逆方向の水－気体シフト反応を介してＣＯ２をＣＯに変換するための、電気加熱式ニッケルベースの触媒要素の性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0032】
さらに、本開示が属する技術分野における当業者であれば、図面における要素は単純化のために例示され、必ずしも一定の縮尺で描かれていない可能性があることを理解するであろう。さらに、機器の構築の観点から、機器の１つ又は複数の構成要素は、図面において通常の符号によって表されている場合があり、図面は、本明細書の記述の利益を有する当業者にとって容易に明らかになる詳細を有する図面を不明瞭にしないように、本開示の実施例を理解することに関するそれらの特定の詳細のみを示す場合がある。
【0033】
本開示の原理の理解を促進する目的で次に、図面に示されている実施例への参照を行うこととし、それらを説明するために特定の述語を使用することとする。それにもかかわらず、本開示の範囲の限定がそれによって意図されないことが理解されるであろう。本開示に対するそのような変更、及びさらなる修正、並びに、本開示に関係する当業者が通常思いつくであろう、企図される本明細書に記述されているような本開示の原理のそのようなさらなる適用は、本開示の一部であるとみなされる。
【0034】
前述の一般的な説明、及び以下の詳細説明は、本開示の例示及び説明であり、本開示の限定を意図するものではないことがさらに当業者によって理解されるであろう。
【0035】
用語「備える：ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「備えている：ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、又はそれの任意の他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意図しており、したがって、ステップのリストを備える工程又は方法は、それらのステップのみを含むのではなく、それらの工程若しくは方法に対して明確に列挙されていない又は固有の他のステップも含み得る。同様に、「を備える：ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ａ」によって先行される、１つ若しくは複数の機器、又はサブシステム、又は要素、又は構造、又は構成要素は、それ以上の制約がなければ、他の機器、他のサブシステム、他の要素、他の構造、他の構成要素、追加の機器、追加のサブシステム、追加の要素、追加の構造、追加の構成要素を排除するものではない。本明細書全体を通じて「実施例において」、「別の実施例において」という語句、及び類似の言い回しの出現は、必ずというわけではないが、すべて同じ実施例を指す場合がある。
【0036】
別様に規定されていなければ、本明細書において使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本開示が属する技術分野における当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で提供されるシステム、方法、及び実例は、単に例示的であり、限定を意図するものではない。本開示の実施例は、添付図面を参照して下記に詳述することとする。
【0037】
本発明の実施例は、従来の燃焼で動く反応器と比較して、電化された反応器設計に関する。設計は、反応器チューブの並列配置を可能にし、各チューブは、かなりの量の工程自由度をもたらすように混合され、調和され、又は個々に制御され得る個々の加熱要素を含む。
【0038】
各反応器は、複数の接続された触媒モジュールから構成される。各モジュールは、加熱要素と触媒物質との組合せである触媒加熱要素と、触媒加熱要素に電力を供給するための導体と、スペーサ、及び断熱ハウジングなどのさまざまな構造的構成要素とを含み、断熱ハウジングは、触媒加熱要素を収容し、反応物が触媒加熱要素の中を通ることができるようにしている。いくつかの実施例では、１つ又は複数の導体は、触媒加熱要素内に熱を発生させるために、均等な分布の電流を触媒加熱要素に供給する。印加される電圧は、０～５０００Ｖの範囲にあってもよく、電流は、０～１０００Ａの範囲にあってもよい。
【0039】
触媒加熱要素は、ナノ構造の触媒物質などの３次元構造の触媒物質であってもよい。接続されて直線反応器構成になると、触媒モジュールは、反応物が、接続された触媒加熱要素を通り抜けるための流路を形成し、導体は、さまざまな触媒加熱要素を加熱するために個々に電力を供給することができる。
【0040】
いくつかの実施例では、導体は、触媒加熱要素内で中心を占めている。他の実施例では、導体は、触媒加熱要素の対向する端部に配置される。接続は、触媒加熱要素が、回路内の抵抗の一次ソースであるような常に低い抵抗値である。単一の導体は、直線反応器構成のモジュール向けの共通電気グランドとして機能し得る。
【0041】
加熱要素と触媒物質とを組み合わせて単一の高表面積構成要素にすることにより、電気を使用して反応物に効率的に熱を印加することができるようになり、反応器は少なくとも部分的に再生エネルギー源を使用して加熱されることができるようになる。触媒加熱要素は、型取り、３Ｄプリント、ボール・ミリング、焼結、押出し成形、鋳造、脱合金化、ダイレクト・インク・ライティング、又は、ミクロンからメートルの規模の３次元構造を生み出す他の手段のうちの少なくとも１つなどの拡張性のある、加える及び減ずる製造技法によって作り出され得る。このことは、２０１７年１０月２３日に出願された米国特許出願第１５／７９０，８１０号に記述されており、その開示全体は、その全体が本明細書に記載されているかのように、参照によりここに組み込まれる。
【0042】
触媒加熱要素のさまざまな実施例は、階層的構造を形成するように作り上げられてもよく、階層的構造とは、すなわち、少なくとも２つのレベルの孔サイズ：反応物を小孔に拡散することができる質量運搬「ハイウェイ」として働く大孔と、高表面積をもたらし、それによって反応物との反応に役立つナノサイズ孔とを備える構造である。構造はさらに、異なる相、又は組成の階層的な層（例えば、基礎となる金属基板、及び酸化物層、並びに堆積された活性金属種）を有してもよい。
【0043】
ナノ規模設計の考慮により、ユーザは、いくつかの実施例において所望の反応にカスタマイズされ得る触媒組成、いくつかの実施例において触媒加熱要素を加熱するために必要とされる電気入力を決める抵抗率、いくつかの実施例において、形状が高い反応変換に最適になることを可能にするマクロ規模構造、又はこれらの任意の組合せのうちの少なくとも１つを制御することができるようになる。
【0044】
これらのパラメータを使用して、触媒加熱要素は、熱が、大部分は触媒物質を介して、しかもいくつかの実施例では、触媒作用的に活性な部位のみを介して反応器内で生成されるように設計されてもよい。その上、触媒加熱要素の巨視的な形状は、熱伝達と、気相反応物との相互作用と、を最大化するように設計されてもよい。
【0045】
電流印加の触媒モジュール手法を使用する反応器動作は、組成、構造、及び個々の要素の多孔率、並びに反応器スタックにおける構成を修正することによって、任意の数の化学変換ステップに適用されることが可能である。この手法を使用して実施され得る化学変換ステップのいくつかの実例には、蒸気メタン改質、乾式メタン改質、逆方向の水－気体シフト、熱化学的水分解、フィッシャー・トロプシュ処理、ハーバー・ボッシュ反応（アンモニア生成）、メタノール生成、オレフィン合成、及びこれらの組合せがある。
【0046】
実施例は、熱が、化石燃料の燃焼による代わりに、電気によって（抵抗性の、誘導性の、及び／又は誘電体高周波数の加熱機構を介して）提供されるので、従来の化学反応器とは異なる。いくつかの反応器設計はさらに、熱発生のための電気の使用、又は電気化学反応システムを使用することに基づき得、電気化学反応システムは通常、抵抗ヒータを用いた、金属酸化物担持粉末上の金属ナノ粒子などの従来の触媒アーキテクチャの統合、又は他の抵抗加熱要素の反応器若しくは触媒ベッドへの組込みのどちらかによって成し遂げられる。
【0047】
いくつかの実施例では、触媒物質は、例えば、フリー腐食、又は、電気化学脱合金化を使用して脱合金化された金属構造から得ることができ、電気化学脱合金化は、あらかじめ定められた組成及び多孔率のナノ多孔性物質を生み出し、以て、もたらされるナノ構造を通じて組成、表面積、抵抗率を制御することができるようになり、特定の反応、及び／又は工程に適合する。その上、加える製造技術における進歩のおかげで、触媒加熱要素の巨視的な（マイクロメートルからセンチメートルの規模）構造は、いくつかの実施例における流体－固体相互作用を最適化するために、フレキシブルに設計され、作り上げられ得る。
【0048】
もたらされる組成及び多孔率は、物質の抵抗率に寄与し得、物質の抵抗率は、適切な熱を反応器システムに提供するために、電力入力を効率的に活用するように調整され得る。触媒加熱要素はさらに、構造を安定化し、いくつかの実施例における、初期の湿式含浸、物理気相堆積、化学気相堆積、原子層堆積、ガルバニック置換、電気めっき、ディップ・コーティング、酸化及び還元工程を含むさまざまな技法による金属又は金属酸化物の堆積を通じて物質の活動状態を修正するように修正され得る。
【0049】
改善された熱供給と、質量移動限界の低下とによってもたらされた効率の利点のおかげで、反応器ユニットの実施例は、従来の触媒反応器システムと比較して、サイズにおいて２桁減少し得る。その上、工場設計は、広範な熱交換装置の必要性をなくすることによって大いに簡素化され得る。いくつかの実施例では、この技術に基づく反応器の温度応答時間は、従来の大きな反応器と比較して非常に素早いことがある。従来の反応器システムとの比較において、実施例は、より小さな、より簡素な反応器システム、完全な電化、及び素早い応答時間のおかげで、資本費用がより低くなることがあり、素早い応答時間は、変動する再生可能エネルギー入力を使用して生産を推進することを可能にし、化学生産の分散化（これにより輸送コストをなくし、遠隔エリアにおける生産をできるようにする）を可能にする。
【0050】
図１は、抵抗加熱触媒モジュール１００の一実施例を示す。示されるように、モジュール１００は、２つの電流分配プレート１０２、１０４を有し、２つの電流分配プレート１０２、１０４は、適切な手段（例えば、はんだ付け、圧搾など）によって触媒加熱要素１０６に付着させることができ、以て、電力は、電力源（交流又は直流のどちらか）から印加されることができる。電圧及び電流の要件は、いくつかの実施例における、触媒加熱要素の抵抗値、周囲環境の温度要件、熱／エネルギー移動ダイナミクス、及び化学反応（例えば、発熱又は吸熱の）に依存する。反応物１０８は、反応器１００に流れ込み、生成物１１０は、反応器１００から流れ出る。
【0051】
図２は、誘導加熱触媒モジュール２００の一実施例を示し、誘導加熱触媒モジュール２００は、電磁コイル２１２、２１２’の追加を除いて、図１のモジュール１００と同一である。この実施例では、触媒加熱要素２０６と電力源との間に物理接続はない。代わりに、電流分配プレート１０２、１０４はスペーサ２０２、２０４によって置き換えられて、スペーサ２０２、２０４は、触媒加熱要素２０６を適所に保持する。誘導コイル２１２、２１２’は、モジュール２００に対して近位に配置されてもよく、ＡＣ電流源は、磁気ヒステリシス及び渦電流を介して触媒加熱要素２０６の加熱を推進するために使用されてもよい。反応物２０８は、反応器２００に流れ込み、生成物２１０は、反応器２００から流れ出る。
【0052】
これらの加熱方式の両方は、電力可用性（例えば、断続的に利用できる再生可能エネルギー）、反応物供給、及び始動／停止事象の変化に容易に、しかも素早く応答することができるので、従来の触媒反応器を上回る利点を提供する。これらの利点により、このタイプのシステムは、再生可能エネルギー駆動式化学処理にふさわしくなる。
【0053】
他の実施例では、高周波誘電体加熱構成を利用して熱を発生させることができる。この構成では、電極は、触媒加熱要素の周りに設置され、工程に対して専用に調整された周波数の交番電流が印加される。このタイプのシステムは、平坦なプレートタイプの反応器設計に、より適応するので、反応器形状に関して柔軟性を提供する。
【0054】
モジュールは、触媒加熱要素にわたって反応物流を誘導するように構成された、触媒加熱要素のための非反応性ハウジングを有してもよい。モジュールは、いくつかの実施例における完全な工程流を提供するように、連続して配置されてもよい複数の触媒加熱要素を収容できるように設計されてもよい。その上、囲壁のうちの少なくとも１つ、又は囲壁の外側の表面は、いくつかの実施例におけるシステムから、高温の触媒加熱要素から放出される放射エネルギーが出るのを防止することによって、システムのエネルギー効率を改善するために、金、銅、又はアルミニウムなどの被研磨材でコーティングされてもよい。
【0055】
本明細書に記述されている実施例のうちの任意の実施例における触媒モジュール（又は複数の接続されている触媒モジュールを有する反応器）は、所望の反応、及び／又は生成物流特性を達成するために、（０～２５００℃）の温度範囲、及び（１～５００ｂａｒ）の圧力範囲で動作されることができる。
【0056】
図３は、要素３０２への電流の供給のためのどちらの端部にも電極接続部３０１、３０１’を備える、静止したミキサのような形状の触媒加熱要素３０２を収容するハウジング３００を示す。要素３０２の形状は、試剤が触媒加熱要素３０２にわたって触媒モジュールの中を通り抜けるときに、試剤の混合を促進する。この形状は、混合と、すべての気体が触媒要素を迂回しないように保証することとを促進する。
【0057】
図４は、触媒モジュール（「セル」）４０１～４０８のスタックから形成された３つの仮説的反応器４００を示す。Ａ、Ｂ、Ｃにおける反応器は、それぞれ、複数の触媒モジュールからなる。本発明に従って、各セルは、組成、温度、構造などによって、反応器内の他の触媒加熱要素とは異なる独自の触媒加熱要素を有することができる。
【0058】
この特定の、非限定的な、仮説的実施例において、反応器４００Ａは、５つの同一の触媒モジュールの直線構成からなる。
【0059】
この特定の、非限定的な、仮説的実施例において、反応器４００Ｂは、２つの触媒モジュール４０２と、３つの触媒モジュール４０３との直線構成からなる。モジュール４０２は、モジュール４０３とは異なる組成を有する。
【0060】
この特定の、非限定的な、仮説的実施例において、反応器４００Ｃは、５つの触媒モジュール４０４～４０８の直線構成からなる。モジュール４０４～４０８は、化学的、及び構造的に同一であるが、反応器の動作中は異なる温度で動作するように制御される。
【0061】
【0062】
各触媒モジュール５０４は、触媒加熱要素５１６と、埋め込まれた導体、及び中央導体５２４を収容するコネクタ・リング５２０とを収容するセラミック断熱チューブ５１２からなる。この実施例では、リング５２０は、電力を個々に加熱要素５１６に印加させることをできるようにし、一方、導体５２４は、回路を完成する電気グランドを提供する。反応器５００内の他のモジュール５０４にも同じことが当てはまり、以て、各触媒加熱要素５１６が個々に加熱されることができるようになる。端部と端部が接続されて、モジュール５０４は、反応物、及びでき上がった出力のための通路を形成する。
【0063】
図６は、一実施例による、逆方向の水－気体シフト反応を介してＣＯ２をＣＯに変換するための、電気加熱式ニッケルベースの触媒要素の性能を示すグラフである。この実施例では、触媒加熱要素は、発泡体のどちらの端部においても２つのステンレス鋼導体に接続されたニッケルベースの金属発泡体であった。要素が電流の印加によって加熱されると、ＣＯ２とＨ２との混合物（最大で５０％がＣＯ２、及び、最大で９０％がＨ２）が、要素を通り抜けた。要素がおよそ６００℃に達したとき、示された変換が生じる。ＣＯへの高い選択性（メタン生成なし）は、システムのエネルギー効率にとって重要である。
【0064】
いくつかの実施例では、変換は、マルチモジュール反応器を使用することと、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたってＣＯ２送り込みを通すことと、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させることによって、逆方向の水－気体シフト反応を介してＣＯ２をＣＯに変換することとを行って、実施される。
【0065】
ＣＯ２はさらに、乾式メタン改質反応を介してＣＯに変換されてもよい。この場合、最大で６０％のＣＯ２、及び、最大で６０％のＣＨ４を含む気体混合物を前述の反応器システムに送り込み、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって送り込みを通し、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させて、以て、乾式メタン改質反応を介してＣＯ２をＣＯに変換する。
【0066】
他の実施例では、Ｈ２Ｏは、熱化学的水分解反応を介してＨ２及び酸化物（又は酸化物誘導体）に変換されてもよい。Ｈ２Ｏは、前述の反応器システムに送り込まれ、反応器内の各触媒モジュール内の触媒加熱要素にわたって送り込みを通し、抵抗加熱、誘導加熱、誘電体加熱、又は周波数ベースの加熱のうちの少なくとも１つによって各触媒モジュール内に熱を発生させて、以て、熱化学的水分解反応を介してＨ２ＯをＨ２に変換する。
【0067】
図面及び前の記述は、実施例の実例を与えるものである。当業者であれば、記述された要素のうちの１つ又は複数が良好に組み合わされて単一の機能要素になることが理解されるであろう。代替的に、ある特定の要素は、複数の機能要素へと分割され得る。１つの実施例からの要素は、別の実施例に加えられてもよい。例えば、本明細書に記載の工程の順序は、変更されてもよく、本明細書に記載の様式に限定されるものではない。その上、任意のフロー図のアクションは、示されている順序において実施される必要はなく、行為のうちのすべてが必ずしも実施される必要もない。さらに、他の行為に従属しないそれらの行為は、他の行為と並列に実施されてもよい。実施例の範囲は、決してこれらの特定の実例によって限定されるものではない。本明細書に明確に与えられていようとなかろうと、構造、寸法、及び物質の使用における差などの多くの変形形態があり得る。実施例の範囲は、少なくとも以下の特許請求の範囲によって与えられるのと同じくらい広範である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】