[发明专利]化学物质的同时反应和分离

说明书

本发明通过使用熔融材料来提高烃类热解的反应速率以产生固体碳和氢气，所述熔融材料具有催化功能以提高反应速率和有利于固体碳的形成和无污染分离的物理性质。公开了方法、材料、反应器构造和条件，其中可以在单个反应步骤中以高反应速率将甲烷和其他烃分解为氢气和碳产物而没有任何碳氧化物。该方法还利用选定材料的特定性质，使产物具有独特的进入熔融相的溶解度和/或被熔融相润湿的润湿性，以在更一般的反应中促进纯化产物的产生并提高转化率。

与相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求在2017年11月16日提交的、名称为化学物质的同时反应和分离的共同未决和共同受让的美国临时申请No.62/586,943的优先权和权益，在此通过引用将所述美国临时申请的全部内容并入本文。

联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在美国能源部授予的授权号为DE-FG02-89ER14048和国家科学基金会授予的授权号为CNS-0960316和DMR-1121053的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本公开涉及利用甲烷制造氢和固体碳。本公开还涉及从其他碳氢化合物原料(包括天然气、石油及其组分)制造氢和固体碳。本公开还广泛涉及在熔融金属和熔融盐环境中反应物与产物的反应分离。更具体地说，本公开涉及一种改进的工艺，用于在反应器中将氢和含碳分子转化为气态氢和固体碳，从而促进固体碳的去除。

背景技术

采用经济有效的工艺将甲烷转化为有用的化学产物而不产生碳氧化物，这一直是人们感兴趣的问题。目前，由甲烷和其他碳氢化合物来制造氢在商业上是如下实现的：利用蒸汽和/或氧气进行部分氧化产生碳氧化物，并且需要将气相产物与氢产物分离。

甲烷热解可作为生产氢和固体碳的手段。反应CH₄←→2H₂+C受平衡限制，使得在工业生产所需的约为5至40bar的压力和低于1100℃的温度下，甲烷转化率相对较低。最近，以下文献对迄今为止所研究的许多方法进行了评述：Renewable and Sustainable EnergyReviews 44(2015)221–256，其中重点介绍了固体催化剂，包括金属、金属增强碳和活性炭；以及Applied Catalysis A General 359(1-2):1-24·May 2009；EnergyFuels 1998,12,pp.41-48和Topics in Catalysis vol.37,Nos.2-4,Apr.2006,pp.137-145，其中评估了大体上与碳氢化合物催化分解用于制氢有关的技术，这些结论指出固体催化剂的快速失活(需要再活化步骤)以及等离子体型系统中产生的高功率要求和低氢气压力。对这些技术的其他评论包括International Journal of Hydrogen Energy 24(1999),pp.613-624和International Journal of Hydrogen Energy 35(2010),pp.1160-1190。

美国专利No.9,061,909公开了从烃源生产碳纳米管和氢的方法。碳是在固体催化剂上产生的，并且据报道碳是利用“分离气体”去除的。

在20世纪20年代，J.Phys.Chem.,1924,28(10),pp 1036–1048描述了甲烷在非常高的温度下热分解产生碳。按照这种方法，美国专利No.6,936,234公开了一种在2100至2400℃的高温过程中不使用催化剂将甲烷转化为固体石墨碳的工艺。未公开加热或去除碳的方法。

美国专利No.6,936,234公开了一种在2100至2400℃的高温过程中不使用催化剂将甲烷转化为固体石墨碳的工艺。未公开加热或去除碳的方法。