CN117120158A - 利用电加热进行反应的用于生产化学品的模块化反应器配置 - Google Patents

Abstract

提供了利用电阻加热元件的新颖模块化反应器配置。该电阻加热元件穿过反应器模块的反应区并导电，从而在该反应区中提供电阻加热，以在反应物存在于该反应区中时促进该反应物向产物的转化。该电阻加热元件可被配置为多个线、多个板、线网、丝网和/或金属整料。

Description

利用电加热进行反应的用于生产化学品的模块化反应器配置

技术领域

本发明涉及包括至少一个电加热元件的模块化反应器配置，并且涉及在高温下进行过程的方法，包括将至少一种气态反应物引入所述反应器配置中。该反应器和方法可用于许多工业规模高温气体转化和加热技术。

背景技术

全球变暖的问题和减少世界碳足迹的需要目前在政治议程上是高等级的。事实上，解决全球变暖问题被认为是21世纪人类面临的最重要的挑战。地球系统吸收温室气体排放的容量已经耗尽，并且在巴黎气候协议下，目前的排放必须在2070年左右完全停止。为了实现这些减少，至少需要对工业进行重大重组，远离产生CO₂的常规能量载体。能量系统的这种脱碳需要远离常规化石燃料诸如油、天然气和煤的能量转换。能量转换的及时实现需要并行的多个方法。例如，能量节约和能量效率的提高发挥作用，但使运输和工业过程电气化的努力也发挥作用。在转换周期之后，预期可再生能量生产将占世界能量生产的大部分，其中很大一部分将由电力组成。

虽然存在各种小型分布式CO₂排放源(诸如车辆、人类/动物等，导致显著的累积量)，但主要排放源是发电厂或化学品制造厂，其中化石燃料传统上在燃烧炉中燃烧以发电或供应进行吸热反应所需的热量。例如，目前的乙烷裂化技术每生产一摩尔乙烯向大气中释放约1.2摩尔CO₂。换句话讲，每年生产1百万吨(MTA)乙烯的世界级乙烷裂化器向大气中释放约1.800MTA CO₂。类似量的CO₂从其他吸热过程排放，诸如烃(例如，乙烷、丙烷或石脑油)到增值烃产物(诸如乙烯、丙烯和其他烯烃)的裂解或裂化；使用氢将CO₂转化为CO的逆水煤气变换(RWGS)反应；制备合成气的干甲烷重整(DMR)反应和蒸汽甲烷重整(SMR)反应；产生高质量氢和碳的甲烷裂解；以及各种吸附-解吸过程。

由于可再生能源的成本在世界某些地区已经很低，使用电加热反应器和装置的技术对于替代常规烃燃烧加热反应器和高负荷加热操作可能是有吸引力的。CO₂的预测能源价格和成本将甚至更多地增加这些反应器的经济吸引力。

电力是可用能量的最高等级。当设计将电能转化成化学能的高效工业过程时，可以考虑若干选项。这些选项是电化学、冷等离子体、热等离子体或热。在小规模实验室环境中，电加热已经应用于聚焦于化学和材料方面的许多类型的过程。然而，当考虑以工业规模设计化学(转化)技术(诸如气体转化)的选项时，这些选项中的每个选项都伴随着与反应器配置的设计和按比例放大以及材料要求相关的某些复杂性。当化学转化过程是高度吸热时尤其如此，因为所需的热通量和温度水平是高的。在工业中，需要适于吸热化学反应的电气化技术和工业规模的加热技术。

用于这些和其他吸热反应的现有技术系统通常基于反应气体通过空管或催化剂填充管的内部流动，其中通过在燃烧炉中燃烧化石燃料或通过经过热交换器直接热传递，通过管壁供应所需的热量。对于热通量要求高的过程，必需的热量可以通过燃烧炉获得，该燃烧炉由封闭的耐火空间组成，其中燃料燃烧器经由辐射传递向反应器管壁提供热量。因此，除了CO₂排放之外，基于在炉中燃烧化石燃料的吸热过程的现有技术存在若干其他缺点，诸如较低的反应器热效率(低至30％-40％)和较长的启动和关闭时间(大约几十小时至几天)。虽然附加过程整合(诸如利用出口流的热含量)可导致热效率的最终增加，但这些其他缺陷仍然存在。

由于燃烧炉的投资成本随规模而降低，所以现有技术系统的商业规模大，并且牺牲了设备下调的灵活性。由于这些现有技术系统的大尺寸和单一性质，整个炉单元需要定期关闭和冷却，以便减轻与连续操作相关的操作和/或安全问题。例如，这些常规系统的标准操作导致焦炭积聚在内管壁上，这通常发生在炉在高温下操作时。焦炭在反应器壁上的积聚引起热通量(即，从固体到气体的热供应)的降低，导致较低的转化率和压降随时间推移的增加。这种积聚还增加了外部管壁温度，这可能由于冶金过热和热应力而潜在地导致管故障(或减少故障时间)。此外，根据燃料燃烧器的数量，热通量可能不均匀，这需要使用更大数量的燃烧器和优化它们的位置以获得热通量的空间均匀性。

US2016288074描述了一种用于对含有烃(优选地甲烷)的进料流进行蒸汽重整的炉，该炉具有：燃烧室；多个反应器管，该多个反应器管布置在燃烧室中以用于容纳催化剂并用于使进料流通过反应器管；以及至少一个燃烧器，该至少一个燃烧器被配置为在燃烧室中燃烧燃烧燃料以加热反应器管。另外，提供至少一个电压源，该至少一个电压源以在每种情况下加热反应器管以加热原料的电流可在反应器管中产生的方式连接到多个反应器管。

US2017106360描述了可如何以真正等温的方式控制吸热反应，其中外部热输入直接施加到固体催化剂表面本身而不是通过实际催化材料外部的间接手段。该热源可仅通过使用催化材料本身的电阻加热的传导或通过具有直接涂覆在表面上的活性催化材料的电阻加热元件而均匀且等温地供应至催化剂活性位点。通过仅采用传导作为到催化位点的热传递的模式，避免了辐射和对流的非均匀模式，从而允许均匀的等温化学反应发生。

现有技术的方法具有它们独特的挑战、能力和/或基于组合燃烧加热与线性电加热。因此，对于可以例如应用于大规模化学过程的电加热技术，仍然需要更多和其他选项。

本公开提供了对所述需求的解决方案。本公开涉及工业规模的电气化气体转化技术，其实现高过程效率，并且相对简单，总成本低。

发明内容

已经发现，在现有技术系统中存在的限制可以通过使用新颖反应器配置来克服，其中使用燃烧炉来供应吸热过程所需的热量被电加热(优选地使用可再生能源)代替。此类新颖反应器配置不仅减轻了现有技术系统的缺点，而且还包括附加优点，包括按比例放大的模块化灵活性和简易性。

因此，本公开涉及一种新颖的反应器系统，该反应器系统布置加热元件以使得对气体的热供应是均匀的并且可以基于气体流速、反应焓和反应动力学来调节。

在实施方案中，用于进行吸热反应的模块化反应系统包括至少一个模块，其中每个模块还包括：(a)多个壁区段，该多个壁区段被定位成包围通道内部的加热区，该通道被配置为允许流体流过加热区；(b)电源；以及(c)至少一个电阻加热元件，该至少一个电阻加热元件穿过反应区与壁区段机械连接并且与电源电连接。在一些实施方案中，至少一个电阻加热元件与壁区段电绝缘。在一些实施方案中，反应器系统被配置为允许含有一种或多种反应物的流体的流动。在一些实施方案中，当反应物存在于流体中时，加热区适于将反应物转化为产物。在一些实施方案中，每个模块的电阻加热元件被配置为在反应区中产生电阻加热，使得其温度可被调节到所需反应温度范围。在一些实施方案中，至少一个电阻加热元件包括选自由多根线、多个板、线网、丝网和金属整料组成的组的配置。

本发明的特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。虽然本领域技术人员可以做出许多改变，但是此类改变在本发明的实质内。

附图说明

以上简要概述的本发明的更具体描述可以通过参考在附图中示出并且在本文中描述的本发明的实施方案而得到。然而，应注意，附图仅说明本发明的一些实施方案，并且因此不应视为限制本发明的范围，本发明可允许其他等效实施方案。

图1示出本文公开的不同类型的加热元件配置的等距视图，包括(a)平行线、(b)平行板、(c)金属整料和(d)线网/丝网反应器配置的代表性示例。

图2示出(a)所公开的反应器系统的单个模块化单元；(b)包括多个模块化单元的单个模块；以及(c)多个模块的大规模并联和串联布置的等距视图。

图3示出在绝热等温和电气化条件下乙烷裂化、SMR和DMR的热力学计算结果，包括(a)乙烷裂化的平衡转化率与入口流体温度；(b)在1100K(约827℃)下进料的乙烷裂化的转化率与空时；(c)SMR的平衡转化率与入口流体温度；(d)在1000K(约727℃)下进料的SMR的转化率与空时；(e)DMR的平衡转化率与入口流体温度；(b)在1100K(约827℃)下进料的DMR的转化率与空时。

图4是示出在乙烷裂化的各种流体温度下反应时间尺度与转化率的曲线图。

图5是对于本文公开的某些平行线配置，在各种过程温度下乙烷裂化的转化率与空时的曲线图。

图6示出单个平行线模块的各种视图。

图7是示出用本文公开的某些平行线配置的乙烷裂化的转化率、固体温度和流体温度的曲线的曲线图，包括(a)出口处的时间曲线；以及(b)t＝10s处的空间曲线。

具体实施方式

可以考虑若干加热选项来通过电加热代替工业规模气体燃烧加热。此类电加热炉(包括本文所述的那些电加热炉)具有不依赖于特定燃料源而产生热量的优点，这是由于电力的可替代性。本文所公开的本发明具有通过选择使用源自可再生燃料的电力而有助于实现碳中和目标的另外优点。下面将进一步描述特定实施方案的优点。

根据本发明的一些实施方案，各种新颖的反应器配置(在图1中示出)允许进行产生增值化学品的吸热反应，其中使用电力供应所需的热量。当利用经由可再生能源产生的电力时，本文公开的系统促进比常规系统更低的CO₂排放，以及甚至无排放操作。某些实施方案的代表性配置示于图1中，包括基于由(1)平行线(“PW”)、(2)平行板(“PP”)、(3)具有低纵横比的短金属整料(“SM”)和(4)线网或丝网反应器组成的模块化单元的配置。这些配置适于宽范围的均相气相吸热反应，包括但不限于乙烷、石脑油或其他烃的裂解或裂化。在一些实施方案中，加热元件(例如，线或板等)也可以涂覆有催化材料的薄层以促进其他吸热反应，诸如逆水煤气变换(RWGS)、干甲烷重整(DMR)、蒸汽甲烷重整(SMR)反应。某些配置也可用于这些和其他类似的吸热反应，包括甲烷裂解、氨分解和各种吸附-解吸过程，使用或不使用催化剂。另外，一些实施方案可以包括模块化单元，该模块化单元进一步实现了按比例放大的简易性和灵活性。

如本文所用，术语反应器配置应理解为包括适用于工业规模反应和过程加热的任何工业装置。

用于反应器单元的传统的基于炉的加热主要基于辐射热传递，其中辐射加热由Stefan-Boltzmann辐射定律描述。基于Stefan-Boltzmann定律的第一原理计算表明加热元件(具有0.4的发射率并且在1065℃的温度下)可以在950℃下将22kW.m^-2的热能传递到反应器管。然而，实际的热传递机制复杂得多，因为不仅是直接辐射适用。第一直接辐射机制包括从加热元件向反应器管辐射热量。第二辐射体以炉的热面壁的形式存在。热面壁继而可被电加热元件加热。第三热传递机制通过(自然)对流发生。炉中的气体在加热元件附近上升，并且在反应器管附近下降。第四热传递机制通过炉中加热气体的辐射发生。其相对小的贡献取决于所选择的气体气氛。

与上述传统的基于炉的加热相反，在所提出的配置中，热传递基于电阻加热，其中热量经由传导和辐射直接从电加热元件传递到反应物/产物混合物。

图1(a)和图1(b)分别示出了本发明公开的新颖反应器配置的PW配置和PP配置的实施方案，该新颖反应器配置包括电连接到电源102的一对壁部分100。在图1(a)中，PW配置包括跨越两个壁部分100之间的区的一组平行线104。在该实施方案中，平行线104经由利用由电源102提供的电力的电阻加热用作加热元件。另选地，在图1(b)中，PP配置包括一组平行板106，该组平行板经由利用由电源102提供的电力的电阻加热用作加热元件。类似地，图1(c)和图1(d)分别示出了本发明公开的包括电源102的新颖反应器配置的SM配置和线网配置。在图1(c)中，SM配置包括电连接到电源102的金属整料108，使得金属整料108经由利用由电源102提供的电力的电阻加热用作加热元件。在图1(d)中，线网配置包括电连接到电源102的线网110，使得线网110经由利用由电源102提供的电力的电阻加热用作加热元件。

在图1所示的四个实施方案中的每个实施方案中，气体流过加热元件并且与所述加热元件直接接触，导致热量从加热元件传导到气态系统。类似地，由于加热元件和气态系统之间的温差，发生从加热元件到气态系统的直接辐射热传递。温差越高，通过辐射传递的热量就越高。在气体转化过程中利用从加热元件到气态系统的直接热传递，其中热损失最小，导致与上述传统的基于炉的配置相比更高的加热效率。在所提出的反应器配置中的反应/加热的热传递和质量传递由物质和能量平衡方程描述。

根据本公开，用于向过程提供电热的若干选项是可用的并且可被考虑。

存在许多不同类型的电阻加热元件，每种电阻加热元件具有其特定的应用目的。在本发明公开的配置的一些实施方案中，可通过例如矿物绝缘线技术实现合理的高温。在一些配置中，至少一个电加热元件包括基于NiCr、NiCu、NiCrFe、MnNiCu、CrAlSiCFe、NiCoMnSiFe、NiAlTi、SiC、MoSi₂或FeCrAl的电阻加热元件。基于特定实施方案的需要和参数，可以使用附加材料来构造用于本发明公开的系统的电加热元件。

镍-铬(NiCr)加热元件可用于本文所公开的反应器配置中并且用于许多工业炉和家用电器中。该材料是稳健且可修复的(可焊接的)，可以中等成本并且以各种等级获得。然而，考虑到加热元件的寿命，NiCr的使用受到约1100℃的最大操作温度的限制。

用于本公开的反应器配置和高温应用中的另一个选项是碳化硅(SiC)加热元件。SiC加热元件可实现高达1600℃的温度，并且商业上可以高达55mm的直径获得。这允许设计具有大直径以及每个元件的高加热负荷的模块。另外，SiC加热元件的成本相对较低。

用于本公开的反应器配置和高温应用中的再一个选项是二硅化钼(MoSi₂)元件具有耐受高温氧化的能力。这是由于在表面上形成了石英玻璃的薄层。需要轻微氧化气氛(>200ppmO₂)以维持元件上的保护层。在1200℃的温度下，材料变得可延展，而在该温度以下是脆性的。在操作之后，这些元件在寒冷条件下变得非常脆，因此容易损坏。MoSi₂加热元件可以各种等级获得。最高等级可在1850℃下操作，从而允许在大范围的高温气体转化过程中使用。元件的电阻率是温度的函数。然而，这些元件的电阻不会由于老化而改变。在第一使用周期期间仅发生轻微的电阻降低。因此，当串联安装时，故障元件可以被更换而不会对其他连接元件产生影响。MoSi₂元件的优点是高达350kW.m^-2的高表面负载。

根据优选的实施方案，FeCrAl(铁铬合金)是优选的电加热元件。FeCrAl电阻线由于其电阻率且易于涂覆而是稳健的加热技术。可以通过相对“简单”的开/关控制来控制负荷。可施加高电压来递送加热负荷。然而，这不是通常应用的，因为它会给电气开关带来额外的负载，并且需要合适的耐火材料来提供足够的电绝缘。另外，铁铬合金加热元件具有有利的寿命和性能特性。它能够在相对高的温度(高达1300℃)下操作并且具有良好的表面负载(约50kW.m^-2)。铁铬合金加热元件能够在氧化气氛(>200ppm O₂)中使用以维持元件上的Al₂O₃保护层。

在本公开的反应器配置中可实现的最高温度主要受所使用的加热元件的类型限制。根据本文公开的反应器系统的某些实施方案，反应器配置被设计成具有至少200℃，优选地400℃至1400℃或500℃至1200℃，甚至更优选地600℃至1100℃的反应器温度，这取决于反应和反应器系统的类型。例如，用于乙烷的均相裂化的反应温度的优选范围可以是650℃-1050℃，而用于均相甲烷分解的反应温度的优选范围可以是1750℃-2100℃。类似地，对于蒸汽-甲烷重整，催化过程的优选温度范围可以介于400℃-850℃之间，这取决于所用催化剂的类型。一般来讲，催化剂的使用可以将优选范围推向更低的温度值，并且降低的量取决于催化剂和反应系统的类型。例如，氨裂化的反应温度的优选范围对于Ni催化剂是850℃-950℃，但对于Cs-Ru催化剂是550℃至700℃。

在本发明公开的系统中使用的加热元件可以具有不同种类的外观和形式，如圆线、扁平线、绞合线、条、杆、带上杆等。本领域技术人员将容易理解，加热元件的形式和外观没有特别限制，并且他(她)将熟悉选择适当的尺寸。

根据一些实施方案，图1(a)中描绘的PW配置可包括跨越两个侧壁部分100之间的距离并且被配置为使得线104基本上平行的多根导电线104。线104可被配置为跨单个模块化单元中的所有线的单个电路，或者可另选地地被配置为使得每个单独的线作为独立电路操作。在一些实施方案中，线104可具有0.1m-10m、1m-9m、2m-8m或3m-7m的长度。另外，线104可被配置为具有介于10μm-500μm或100μm-400μm之间的直径。并且在发电或电压/电流规范中提供3-4个数量级的灵活性。例如，根据一个实施方案，将1200A的电流施加到具有10^-6Ω.m的电阻率以及0.5m长度和500μm直径的尺寸的线将产生3.67MW。根据具有10m长度和50μm直径的另选实施方案，所产生的功率将是7.34GW，这是先前实施方案的功率的2000倍。应当注意，还可以通过串联连接较短的线来获得每根线104的期望长度，从而使得灵活性能够满足机械和热稳定性。例如，1m长度的线可以通过串联连接10根0.1m长度的线或串联连接20根0.05m长度的线来获得。类似地，线的电特性的灵活性(即，选择电阻率可从10^-9Ω.m至10^-5Ω.m变化的金属)可在线中提供两个附加数量级的变化。

根据本发明的一些PW配置，整个系统可以包括多个模块化单元，每个模块化单元包括多层平行线，其中当进料气体在线之间流动时，每根线经受相同的电势差。图2(a)描绘了单层模块化单元的一种代表性配置。如图2(a)所示，单个单元可以包括壁部分202和平行线204的层，其中多层线也可以以交错方式布置以减小有效水力半径。如图2(b)所示，单独模块化单元(诸如图2(a)中公开的那些)206可沿着反应区(或加热区)208的流动方向放置以优化不动产占有面积。这种反应区(或加热区)208在本文中称为PW模块。根据一些实施方案，在PW模块中，每个单元可以独立地经受固定的电压差，以便允许定制的热注入速率并且满足电气约束(即，对最大电压和/或电流的限制)。

PW配置相对于现有技术系统特别有利，因为它们提供了(i)均匀加热，和(ii)设计空间的附加灵活性，特别是空时、入口条件(温度、组成)、线间距(或固体与流动体积的比率)、每个模块的线数量等的选择提供可用于满足给定系统的生产目标和电/机械约束的另外灵活性。此外，PW配置可被布置在多个空间方向上，使得能够最佳地使用给定生产目标的不动产占有面积。

如上所述，与现有技术系统不同，本文所公开的PW配置向通过模块化单元的反应物提供均匀加热。用于吸热化学反应过程的现有技术通常包括反应物通过管或填充床反应器配置的内部流动(分别用于均相和催化反应)，其中通过在炉中燃烧化石燃料经由辐射热传递向外管壁供应热量。因此，这些配置中的加热效率较低，这是因为在向流体相提供热量之前增加了热阻(炉到外部固体表面和内部固体表面外部)。与这些现有技术系统相反，在本发明公开的配置中，热量通过以下方式通过电力(优选地使用可再生电源)向反应物供应：在固体反应器部件材料中均匀地产生热量，这直接向流体相供应热量；最小化附加热阻并且因此导致潜在的更高的反应器总热效率。

在某些现有技术系统中，反应器尺寸(诸如流动通道的水力半径)较大。例如，在传统的管式反应器中，管的直径为英寸级，这导致较大的温度梯度(或固体相与流体相之间的差异)，从而导致较低的加热效率。根据本文公开的系统，流动通道中的水力直径(例如，PW配置中的线间距、PP配置中的板间距和SM/线网/丝网反应器配置中的孔的直径)较小，使得扩散和传导时间与现有技术设计中的空时相比小得多。因此，该布置使得由下式定义的横向质量皮克列数(p_m)和横向热皮克列数p_h

可以小于一。此处t_Dm、t_Dh和t_c分别是特性扩散时间、传导时间和空时；<u>是进料的平均速度；R_Ω是水力半径；是热扩散率(其中k_f,ρ_f和C_pf是流体相的热导率、密度和比热容)；L是通道的长度。另外，为了获得反应物的显著转化，定义为空时与反应时间的比率的达姆科勒数Da为

被选择为远大于一。例如，它可以介于5-10之间或介于1-100之间，或高于100。此处t_R是反应时间，c_ref是参考浓度，R(c_ref,％)是反应速率。对于线性动力学的情况，反应时间其中k_R是反应速率常数。反应时间可取决于浓度(或系统压力)，但强烈地取决于操作温度。在我们的配置中，条件p_m，p_h<1和Da>>1可以满足以提高加热效率，同时实现更高转化率。

在一些实施方案中，可以存在温度的横向梯度，使得线附近的气体比中心线处的气体更热。在此类系统中，在固体表面附近可获得较高的转化率，而在中心线处可发现较低的转化率。一些实施方案实施线层的交错堆叠以进一步实现更有效且均匀的热供应，从而通过使较冷的进料(来自一层)更靠近下一层中的线表面(有效地减小表观水力半径)而导致更有效的裂化。另外，在流动方向上堆叠层或多个单元的灵活性可以另外规定减小每个模块的总高度而不损失生产率，同时保持在电气约束内。因此，本文所公开的模块化系统可被设计成符合多种反应器系统中的特定部署的空间要求。

描述对于PW和其他配置(例如，PP、整料、线网、丝网)的某些实施方案的催化和均相反应两者的材料和能量平衡的最简单的降阶数学模型可以根据与它们在流体和固体相中的平均值相对应的多个浓度和温度模式以及界面热/质量通量来表示。横向梯度可以使用传递系数概念来捕获，这导致均相和/或催化反应情况的准确结果。仅有的差异包括(i)界面热通量，包括通过有效传递系数或直接通过Stefan-Boltzmann方程的辐射项，(ii)表示固体相中的电阻加热的源项，以及(iii)表示气体转化过程所需的吸热的汇项。

对于PW配置的某些实施方案，本文公开的系统的建模中的固体相热源项可以表示为

在该热源项中，ρ_e、ΔV和L分别表示每单位固体体积产生的电功率、线的电阻率、施加在线上的电势差以及线的长度。

在一些实施方案中，模块化反应器区段包括如图1(b)所示的一组平行板106。在此类实施方案中，跨板106的长度施加电压差，同时进料气体沿着宽度流动。在板106的宽度方面，该配置具有与PW配置类似的优点。等效地，在PW布置中堆叠的层的数量类似于PP布置中板的宽度与厚度的比率。类似于图2(b)中所示的一个PW模块的实施方案，PP模块的一个实施方案可以包括串联的多个PP单元，从而提供类似的优点。根据一些实施方案，在PP布置中在流动方向上具有更长的长度对于相同的生产率可能需要更高的电功率，这可能超过单元的电流-电压限制。因此，串联堆叠此类单元(类似于如图2(b)所示的PW配置)提供了保持在电约束内的灵活性。

PP配置的降阶数学模型可以是多模式非等温短整料反应器模型或长整料模型，这取决于轴向皮克列数。该配置中的热源项也由如上参考本发明公开的PW配置所述的方程(3)给出。

在另一种配置中，短整料(或具有孔-短通道的薄板)108用作一个单元(在图1(c)中示出)，而一个模块可由沿流动方向堆叠的此类SM单元中的若干SM单元组成。在此类实施方案中，进料气体在内部流过短通道，同时垂直于沿着板的侧面中的一个侧面的流动施加电势差。数学模型是多模式非等温短整料反应器模型，其中在这种情况下的热源可表示如下：

其中L_T是在其上施加电压差的侧面中的一个侧面的长度，γ_s是固体与流体的体积比，并且f(γ_s)是表示由于板中存在孔而导致的无量纲有效电阻率的几何因子。

在线网配置中，一个单元可由如图1(d)所示的单个线网110或在流动方向上堆叠的多个线网110组成，而一个模块可由在流动方向上堆叠的多个此类单元组成。每个单元可沿着侧面中的一个侧面经受与SM配置中相同的电势差。因此，进料气体流过一个线网，然后流过其他线网，其中在每个网中发生部分转化，导致在最后一个网的出口处的期望转化。通过每个线网或丝网的流动和反应的数学模型与短整料的数学模型相同。热源项也可与本文所公开的某些SM配置的热源项相同(方程4)，其中以SM单位计的通道长度等于线网数量乘以以线网单位计的线厚度。

结果

虽然本文公开的配置可与任何吸热过程一起利用，但性能度量可使用用于乙烯生产的乙烷裂化的示例性吸热过程来建模。另外，我们选择PW配置作为演示的代理，因为它提供了能够在流动方向上堆叠的附加灵活性以及评估电气约束的简易性。本文公开的示例是使用本文公开的模型的计算示例。

乙烷裂化和其他吸热反应的热力学和动力学方面

对基于反应热化学的热力学计算给出初始设计考虑，以便准确地估计本文所公开的系统的过程条件和平衡约束。基于标准热力学数据，图3(a)、图3(c)和图3(e)分别描绘了作为乙烷裂化、SMR和DMR的操作温度的函数的对于本文公开的某些反应器配置可能的计算的最大(平衡)转化率。如这些图中所示，当操作温度增加时，转化率增加(这是可逆吸热反应的典型情况)。这是预期的，因为吸热反应的平衡常数随操作温度呈指数增加。因此，当期望的转化率高时，需要反应器中的较高操作温度，这可能造成附加材料/安全相关的限制。因此，此类计算在材料筛选中起重要作用，以确保安全操作。

图3(a)、图3(c)和图3(e)还分别示出了乙烷裂化、SMR和DMR的绝热、等温和电气化操作之间的差异。例如，在等温操作中(其中供应热量以维持反应器中的温度恒定)，转化率可达到如等温反应路径所示的平衡值。相反，在绝热操作(其中不供应热量)中，随着反应进行，反应流体冷却，因为反应消耗流体的显热，导致温度的降低以及转化率的对应降低(参见绝热反应路径)。相反，在电气化操作(其中通过电功率供应焦耳加热)中，根据空时和所供应的功率，转化可以沿着绝热路径开始，并且然后遵循朝向平衡的路径，并且最终可以导致最终更高的转化率(几乎100％)。这是因为热量被连续供应并且操作温度可以增加超过目标等温温度，导致高得多的转化率。在这些图中，虚线曲线(3a、3b和3c)对应于当所供应的电热量与维持等温操作(在目标操作温度下)所需的吸热热量相比分别处于0.02:1、0.2:1和2:1的比率的情况。例如，对于设计用于具有1100K(约827℃)的入口流体温度的乙烷裂化的一些实施方案，平衡转化率可以是大约80％，这可以在等温操作中通过经过热量供应保持反应器温度恒定来实现。然而，具有相同入口进料温度的绝热操作导致18％的较低转化率，其中最终温度降低至883K(约610℃)。在进料处于1100K的电气化操作中，尽管它最初可遵循绝热路径，导致较低温度(取决于供应的电功率和空时)，但是它可以导致比进料更高的流体温度，从而导致高于80％的转化率。对于其他吸热过程(诸如图3(c)和图3(e)中所示的SMR和DMR)观察到类似的趋势。

尽管仅基于热力学考虑获得平衡转化率与温度关系，但是图3(a)、图3(c)和图3(e)所示的结果仅适用于封闭系统(对应于接近无穷大的空时或趋于零的流速)。对于开放系统，在任何给定空时获得的实际转化率取决于反应动力学、操作条件(温度以及操作模式)和流动分布，并且将低于平衡转化率。稳态转化率可以使用这些吸热过程的可用动力学模型来计算。为了演示的目的，此处乙烷裂化、SMR和DMR的动力学选自进行热力学和转化率计算的常规方法。图3(b)、图3(d)和图3(f)分别示出乙烷裂化(进料处于1100K，约827℃)、SMR(进料处于1000K，约727℃)和DMR(进料处于1100K，约827℃)的平衡转化率与空时。从这些图中可以看出，接近平衡值的转化率可以用等温操作中的较小空时以及绝热操作的相对较大的空时来实现。例如，对于乙烷裂化，进料处于1100K(约827℃)，可实现接近平衡值(即，约80％)的转化率，其中等温操作中的空时为2s，并且绝热操作中的空时为100s，如图3(b)中所示。类似地，对于SMR，进料处于1000K(约727℃)，可实现接近平衡值(即，约80％)的转化率，其中等温操作中的空时为2ms，并且绝热操作中的空时为10ms，如图3(d)中所示。对于DMR，进料处于1100K(约827℃)，可实现接近平衡值(即，约90％)的转化率，其中等温操作中的空时为1s，并且绝热操作中的空时为10s，如图3(f)中所示。另外，这些图还描绘了用不同空时实现的从电气化操作的转化。从这些图中注意到的两个关键点是：(i)根据空时和所供应的电加热，电气化操作中的转化可导致比等温操作更高的值(甚至接近100％)(当然也导致更高的流体温度)，以及(ii)电功率供应越高，相同目标转化所需的空时越低。因此，在给定的温度限制(与材料约束相关)下，只要考虑电和其他过程约束，就可通过电气化操作潜在地实现目标生产率。应当注意，根据进入加热区段的进料的温度，可能存在小的转化率，这可能略微改变图3中的起始点，但最终结论不变。

空时要求以及过程温度是实现期望的转化率水平所必需考虑的重要设计参数。虽然图3(a)、图3(c)和图3(e)提供了部分信息(转化率和温度关系)，但它们没有估计具体的空时要求。然而，它们为期望的转化提供暂时目标流体温度。类似地，图3(b)、图3(d)和图3(f)为特定目标流体温度(1100K或1000K)提供暂定空时。例如，图3(b)示出对于在乙烷裂化中具有1100K(约827℃)的目标流体温度的实施方案，80％转化率需要约2s的空时。类似地，当期望的转化率为50％且目标流体温度为1100K(约827℃)时，建议的空时为约0.3s。换句话讲，较高的期望转化率需要较大的空时，如可以直观预期的，使得反应物将具有足够的接触时间以用于转化。

选择的空时和操作温度的目标值也必须满足如上文讨论的两个标准(p_h<1和Da>>1)以获得更高的转化率与更高的加热效率。这需要评估扩散时间以及反应时间。特性反应时间可以从各种温度和转化率水平下的反应速率表达式获得。图4示出乙烷裂化在不同温度和转化率下的反应时间。该曲线图示出反应时间可根据流体温度而变化6个数量级。类似地，图5示出对于平行线配置(以与图3相同的方式，但在各种其他温度下)的乙烷裂化的转化率与空时。这些曲线图(在图5中示出)还表明，在给定目标温度下，无论空时有多大，都存在对可实现的转化率的最大限制。该最大限制对应于如图3(a)所示的平衡值。这些图(图3、图4和图5)可用于选择设计和过程参数，使得达姆科勒数大于一，以实现更高的转化率并且改进目标温度以及对应空时。可以对任何其他吸热反应进行类似的计算，其中图3至图5可以定量地改变，但是性质和定性特征保持相同。

本发明所公开的系统的一些实施方案可被设计成使得固体和流体温度之间的差异可被限制在50℃至100℃内，与此类差异可为(100℃至400℃)的现有技术形成对比。因此，基于材料敏感性，可选择最大固体温度以确保安全操作，导致流体温度的粗略估计。一旦选择了目标流体温度，具有中间混合水平的反应器模型(取决于反应器配置和每个模块的设计)可用于获得重要的设计参数中的一个设计参数—空时。可使用合适的空时值基于反应器对于期望转化率的期望生产容量来确定反应器体积。

功率要求和电压/电流约束

进行吸热反应的功率要求取决于流量和反应参数，诸如流速、反应物浓度(和/或压力)、入口/出口温度，其由进料的显热和反应热构成。本文使用乙烷裂化的示例公开了样品计算。

基于吸热化学和流动条件的功率要求

对于从乙烷裂化生产乙烯的示例，功率要求可表示如下：

其中F_in,C_pf,T_f,T_fin,ΔH和χ_e分别是入口摩尔流速、比热容、出口流体温度、入口流体温度、反应焓和转化率。第一部分是使进料从入口温度达到目标温度所需的进料显热，而第二部分是从反应获得目标转化率所需的热量。

作为示例，世界规模的乙烷裂化工厂可具有每年1百万吨(MTA)的乙烯生产容量，这相当于1.13kmol/s的乙烯生产或F_in＝1.25kmol/s的乙烷进料(假设χ_e＝90％转化率)。这对应于在1atm压力和T_fin＝950K(约677℃)下100m³/s乙烷进料的体积流速。假设目标反应温度T_f＝1300K(约1027℃)，空时(t_c)可以使用图3(a)或图5来选择，这表明t_c＝10ms。因此，功率要求可以从方程(5)计算，其约为/>(其中C_pf为约140J.mol^-1K^-1，并且ΔH为约145kJ.mol^-1。另外，反应器中的总流体体积V_f＝q_int_c)约为1m³。

类似地，在每年生产250千吨(kTA)的较低容量乙烷裂化器的另一个示例中，功率要求、乙烷的入口流速和流体体积将成比例地降低(对于相同的空时和入口/出口流体温度)。具体而言，由乙烷以314mol/s(或在1atm和950K，约677℃下为25m³/s)的进料/入口流速(在1300K，约1027℃下，生产283mol/s乙烯)的250kTA乙烯工厂可能需要54MW功率。假设相同的空时(t_c＝10ms)，这种情况的总流体体积将是约0.25m³。此处这些数字仅仅是说明性的，并且可以根据具体的反应系统和进料条件而改变。

加热模块的发电和设计

当通过电加热供应所需的总功率时，重要的是在电约束(诸如最大电流或电压限制)内操作。根据一些实施方案，在经受ΔV的电势差的线(具有电阻率ρ_e、长度L和直径d_w)中产生的电功率(P₀)由下式给出

例如，在1m长的线(具有100μm直径和1.4Ωμm电阻率)上施加75伏的电势差导致约0.42Amp的电流并且产生约31.56W的电功率。因此，如果允许最大1200Amp的电流(作为电气约束之一)，则如图2(a)中所描绘的由约2852根这样的线组成的基本单元可以产生高达约90kW的电功率。因此，为了实现250kTA工厂容量(需要约54MW功率)，将需要约600个这样的基本单元，这可以在许多组合中实现，诸如包含约600个基本单元的1个模块，或包含约300个基本单元的2个模块，或包含约200个基本单元的3个模块，等等。图6示出由125个基本单元604组成的模块602的示意图，其可对应于约50kTA的模块生产容量。这样的模块中的五个模块可能需要具有250kTA的生产容量的乙烯工厂。模块的数量是灵活的，并且可以根据期望的生产容量和对不动产占有面积的约束来选择。根据一些实施方案，生产工厂包括介于1和50个之间的模块，其中每个模块包括介于10-1000个之间的基本单元。这些基本单元可以以模块配置来设计和布置以优化占有面积，以及满足电压/电流约束。例如，在单层中竖直堆叠的平行线的数量和在流动方向上堆叠的层的数量方面，单个基本单元的设计存在灵活性(如图2(a)所示)。根据一些实施方案，基本PW单元(在图2(a)中示出)包括跨越单元的两个壁部分之间的距离的介于200和10000根之间的单独平行线。更优选地，基本PW单元的一些实施方案可以包括介于100和10000根之间的单独线，并且甚至更优选地介于2000和3000根之间的单独线。在单个层中竖直堆叠的线的数量决定单元或模块的高度，而层的数量决定单元的流动长度。根据一些实施方案，该平均层包括介于10和5000根之间的竖直堆叠的线或优选地介于100和500根之间的竖直堆叠的线。根据一些实施方案，单个基本PW单元包括介于2和50个之间的层或优选地介于5和10个之间的层。在流动方向上堆叠的单元的数量方面存在附加灵活性，这决定了模块的长度和容量。单元的数量可以基于对最大入口速度和空时要求的约束来选择。根据利用PW配置的代表性实施方案，图6示出了模块602的示意图，该模块具有结合了多个PW单元604的线的详细布置，用于瞬态模拟和证明有效性。图6描绘了PW单元604的代表性实施方案的多个视图，包括模块化单元如何位于模块602中的图示以及示出线配置的横截面视图。在结合了多个所述模块化单元604的系统的一些实施方案中，系统可以包括介于10和2000个之间的单独基本PW单元(如前所述)。

根据一些实施方案，配置可包括本文所公开的任何类型的模块化单元，包括但不限于PW、PP、SM和线网配置。图2(a)中描绘了PW中的单独基本单元的示意图，而图1(b)、图1(c)和图1(d)中分别描绘了PP、SM和线网配置中的那些单独基本单元。根据一些实施方案，类似于PW配置，在其他配置中，生产工厂也可包括介于1和50个之间的模块，其中每个模块可包括介于10和1000个之间的基本单元。根据一些实施方案，在PP配置中，基本单元(在图1(b)中示出)可包括介于10和5000个之间的竖直堆叠的板，或优选地介于100和500个之间的竖直堆叠的板。因此，实现了本文公开的系统的关键优点之一，因为所述系统使用模块化单元提供了广泛程度的定制和灵活性，而不需要系统范围的重新设计。

模块化单元的瞬态行为

在本文所公开的系统的一些实施方案中，基于包括反应器尺寸、过程条件和电参数/约束的灵活设计，可执行瞬态模拟以确保模块的实际性能。

过程参数：为了设计本文所公开的一些实施方案的参数，可利用图3(a)来选择期望转化率(优选地大于80％)的目标流体温度，此后可从图4和图5中选择合适的空时。根据实施方案并且对于瞬态模拟的示例性演示，可以选择1300K(约1027℃)的目标温度和0.01s(10ms)的空时。对于该演示，假设乙烷的入口温度为950K(约677℃)。

几何参数：根据示例性实施方案，如图6所示的PW模块602由125个PW基本单元604组成。在这样的实施方案中，每个PW基本单元由8层326条平行线组成，每单元的线总数为2608。每根线具有1m长度，100μm直径和1.4Ωμm电阻率。在每一层中，平行线分开1.51mm(即，大致横向间距与直径比率为约15)。每一层分开0.5mm(即，轴向间距与直径比率为五)。每个单元的所得高度(与每个模块的高度相同)为0.5m，并且每个单元的流动长度为4.3mm。假设每个单元之间的间距与单元的长度相同(即，间距与长度的比率为一)，则每个模块的总长度为约1.1m。因此，每个模块的反应器部分的尺寸为1m×0.5m×1.1m(即，0.55m³)。在这样的实施方案中，在每个模块中，在流动方向上存在125×8(＝1000)根线，因此流动方向上的有效固体长度是0.1m，需要10m/s的速度来实现0.01s的空时。因此，基于模块的总长度(由于线之间的间距和每个单元之间的间距，其为有效固体长度的约10倍)的空时低至约十分之一，即0.1s。

电参数：在上述示例性实施方案中，每个单元经受79伏特，导致每单元1157Amp(或每根线0.44Amp)的总电流，从而产生每根线35.1W或每单元91.5kW的电功率。因此，模块产生11.44MW的电功率并且可以产生约52kTA的乙烯。

反应器配置可被建模为两相短整料模型的串联和并联组合，其导致如图7(a)中所示的对于10m/s的入口速度在模块出口处的温度和转化率的瞬态曲线。类似地，图7(b)中示出了t＝10s处的空间曲线。

如本文所公开的，根据至少该示例性实施方案，流体和固体温度之间的差值为约60℃(出口处的稳态固体和流体温度分别为1380K，约1107℃和1320K，约1047℃)。另外，根据一些实施方案，达到稳态的时间低于1s，或更优选低于0.8s，如图7(a)所示。与常规现有技术中的几小时到几天相比，到稳态操作的这样的短时间段对应于快速启动时间。另外，图7(b)中的空间曲线示出了每根线导致逐渐转化。入口附近的前几个单元主要贡献于显热以增加进料流的温度。实际上，每根线的空时是10μs，因此转化在较高温度(约1200K，约927℃)下开始。因此，一旦气体的温度达到约1200K(约927℃)，每根线导致部分转化。根据一些实施方案，在模块的出口处，实现至少75％转化率，更优选地实现至少80％或85％转化率。

根据一些实施方案，本文所公开的模块实现跨模块的横截面的均匀速度分布以及在离开线区段之后的快速淬火。根据这样的模块所需的具体参数，可能需要附加反应器长度(和体积)来进行进料分配、产物收集和淬火。优选地在收集进料之前淬火以防止或减轻由于在该温度下的附加反应时间而导致的产物损失。在所考虑的进料以10m/s的速度在1m×0.5m的横截面和1.1m的流动长度中流动的示例性情况下，分配器和收集的长度可总计达5m，导致每个模块所需的总占有面积为1m×0.5m×6m(约3m³)。因此，在PW配置的一些实施方案中，具有产生11.44MW电功率或产生约50kTA乙烯的容量的模块的体积为3m³。因此，根据一些实施方案，这样的模块中的五个模块可以约15m³-20m³的占有面积产生250kTA的乙烯，从而当与反应器体积可以为约1000m³的常规现有技术相比时，利用显著更小的占有面积。

新反应器配置的优点

根据一些实施方案，本文公开的反应器配置具有优于现有技术的许多优点，特别是由于单元的模块性/灵活性以及与可再生能源耦合的潜力。

根据一些实施方案，本发明公开的系统基于全电加热器(即，不像传统方法那样燃烧化石燃料来供应热量)，因此这些系统具有提供减少的、零或净负CO₂排放同时产生增值化学品的效用。因此，如果使用可再生能源(诸如太阳能、风能、地热能、水能、核能)来产生电力，则CO₂排放可以减少或甚至完全消除。例如，现有技术乙烷裂化技术每生产一摩尔乙烯，向大气中释放约1.2摩尔CO₂。换句话讲，世界级乙烷裂化器(生产1000kTA乙烯)向大气中释放约1800kTA CO₂。根据一些实施方案，对于SMR(蒸汽甲烷重整)过程可以获得减少的或零CO₂排放，而对于DMR(干甲烷重整)和RWGS(逆水煤气变换)反应可以获得负CO₂排放。

根据一些实施方案，本发明公开的系统可应用于包括均相和催化反应的多种过程。本发明公开的系统还可应用于多种吸热过程，包括：(1)乙烷、丙烷、石脑油、原油等的裂化；(2)甲烷的裂解；(3)蒸汽或干甲烷重整(SMR或DMR)；(4)逆水煤气变换(RWGS)；(5)氨分解；以及(6)其他这样的吸热反应。在一些实施方案中，本发明公开的系统可用于促进：(1)非催化均相反应(即，在流体相中的反应)；和/或(2)表面催化的反应(即，在固体表面处的反应)。对于需要催化剂的吸热反应，在一些实施方案中，PW或丝网或线网配置的线或者PP配置或整料的内部(即，与流体接触的界面)中的板可涂覆有包含催化剂的载体涂层的薄多孔层(如在用于处理来自汽车的废气的整料催化转化器中所实践的)。

本文讨论的现有技术具有低至30％-40％的加热/热效率。例如，乙烷裂化技术使用的能量为所需热力学最小值(174.4kJ/mol)的约3倍。根据本文公开的一些实施方案，管/线/金属整料反应器的直接电加热可显著降低能量需求，导致大于80％、85％、90％、95％或99％的加热效率。在一些实施方案中，相同的效率优点适用于其他吸热反应，诸如蒸汽甲烷重整(SMR)、干甲烷重整(DMR)、逆水煤气变换(RWGS)反应和以CO₂作为反应物的其他反应。

根据一些实施方案，与来自花费几个小时到一天的现有技术系统的传统技术相比，所提出的技术中的瞬态时间为秒级(如图7(a)中所示)，从而导致较短的启动和关闭时间。这导致在对本发明公开的系统执行维护时减少生产损失。

根据一些实施方案，本文公开的系统包括提供按比例放大的灵活性和简易性的模块。本发明公开的反应器配置是模块化的，并且通过允许基于局部(优选地可再生的)能量可用性和包括电压-电流限制的过程约束来扩大系统尺寸而提供显著的灵活性。特别地，所公开的PW系统的一些实施方案在过程、材料和几何参数方面提供灵活性，以符合与生产、空间、资金成本和电流/电压限制相关的各种约束。例如，根据特别设计用于使用PW模块的乙烷裂化的本发明的一些实施方案，可以在0.1ms-1000ms(优选地0.1ms-300ms，并且更优选地1ms-100ms)的范围内选择空时；入口温度可低至800K(优选地低至700K，并且更优选地低至600K)到高至1100K(优选地高至1200K，更优选地高至1300K)；每根线的长度可以根据生产目标在0.25m-4m(优选地0.5m-2m)的范围内变化；线直径可以在25μm-750μm之间(优选地在50μm-500μm之间)选择；线之间的间距可以介于0.1mm-20mm之间(优选地介于0.1mm-10mm之间)；每个单元的线的数量可以在10至10000之间(优选地在50至5000之间，并且更优选地在500至3500之间)变化，线材料的电阻率的范围可以是10^-9Ω.m至10^-5Ω.m，其跨越各种金属(包括但不限于本文公开的材料)；并且固体体积分数可以在1％-30％之间(优选地在1％-20％之间)选择。

另外，在一些实施方案中，每个模块可独立地并联或串联堆叠，从而提供按比例放大设计的灵活性。在PW布置的一些实施方案中，模块可包括沿着流动方向堆叠的多层(或一组)平行线。这种堆叠也可以以交错方式布置，这可以减小线之间的有效间距，导致固体和流体之间更好的热传递。在一些实施方案中，所提出的系统允许每个模块在工厂中的独立布置，以如上文所讨论的那样平滑地实现目标大规模生产。由于每个模块可在任何方向上布置，因此可通过在任何方向上并联和/或串联堆叠模块来实现目标大规模生产。此类模块的数量取决于目标生产(如先前所讨论的)。例如，根据示例性实施方案，如图6所示的PW模块602，1000kTA乙烯工厂可能需要此类模块中的200个模块，100kTA乙烯工厂可能需要此类模块中的20个模块，并且400kTA乙烯工厂可能需要80个模块。当加热效率低时，可以相应地增加模块的数量以实现目标生产。例如，如果加热效率从100％降低到80％，则在400kTA乙烯工厂中所需的模块数量可以从480增加到100。这些模块可以沿着流动或垂直于流动堆叠，这取决于空间的可用性。过程参数和材料/几何特性的选择的灵活性也可用于优化不动产占有面积以满足空间约束。

由于本发明公开的配置的模块性，此类系统便于安全和维护检查以及以可忽略的额外操作成本替换和适应新的安全/缓解策略。例如，在一些实施方案中，如果出现安全问题，或者需要维护/安全检查，则不需要使整个模块经历关闭或启动循环(如传统现有技术的方法中所要求的)。相反，模块化设计使得能够关闭小区段(或特定模块)，同时使其他区段处于操作中。类似地，故障模块的更换可以以相同方式进行，这导致低得多的生产损失和更高的运营资本利用。新缓解策略的适应被简化。例如，焦炭形成缓解方法(基于磁或电磁脉冲或高频振动)可被容易地结合以防止由于热裂化和类似过程而导致的焦炭形成。

在一些实施方案中，在本发明公开的配置中提出的全电加热器设计提供均匀的温度分布，这与利用辐射燃料燃烧器的现有技术燃烧炉设计相反。另外，燃烧炉设计需要(约80％)更高的局部温度以有效地将反应器壁加热到目标温度，而本发明公开的电加热器配置直接通过受控的焦耳加热促进目标壁温度的增加。这导致更均匀的温度分布，从而提供更一致、均匀的反应条件以及更高的加热效率和更长的系统寿命。

Claims (10)

1.一种用于进行吸热反应的模块化反应器系统，包括：

a.至少一个模块，每个模块还包括

i.多个壁区段，所述多个壁区段被定位成包围通道内部的反应区，所述通道被配置为允许流体流过所述反应区；

ii.电源；以及

iii.至少一个电阻加热元件，所述至少一个电阻加热元件穿过所述反应区与所述壁区段机械连接并且与所述电源电连接；

iv.其中所述至少一个电阻加热元件与所述壁区段电绝缘；

v.其中所述反应器系统被配置为允许含有一种或多种反应物的流体的流动；

vi.其中当反应物存在于所述流体中时，所述反应区适于将所述反应物转化为产物；

b.其中每个模块的所述电阻加热元件被配置为在所述反应区中产生电阻加热，使得其温度能够被调节到所需反应温度范围；和

c.其中所述至少一个电阻加热元件包括选自由多根线、多个板、线网、丝网和金属整料组成的组的配置。

2.根据权利要求1所述的模块化反应器系统

a.其中所述至少一个电阻加热元件包括多根线；

b.其中所述线中的每根线平行于其他线；

c.其中所述线各自具有介于0.1m和10m之间的长度；

d.其中所述线各自具有介于10μm和1000μm之间的直径；和

e.其中所述线具有介于10^-9Ω.m和10^-5Ω.m之间的电阻率。

3.根据权利要求1所述的模块化反应器系统

a.其中所述至少一个电阻加热元件包括多个金属板；和

b.其中所述板中的每个板平行于其他板；

c.其中所述板具有介于0.1m和10m之间的长度(在垂直于流动的方向上)以及介于50μm和5000μm之间的宽度(沿着流动)；

d.其中所述板具有介于10μm和1000μm之间的厚度；和

e.其中所述板具有介于10^-9Ω.m和10^-5Ω.m之间的电阻率。

4.根据权利要求1所述的模块化反应器系统

a.其中所述至少一个电阻加热元件包括线网、丝网或金属整料；和

b.其中所述线网、丝网或金属整料具有介于50μm和10000μm之间的水力半径，

c.其中单个线网、丝网或金属整料单元具有介于50μm和5000μm之间的轴向流动长度。

5.根据权利要求1所述的模块化反应器系统

a.其中所述模块被配置为允许多个模块以并联和/或串联配置布置；和

b.其中所述多个模块被配置为允许所述流体流过每个模块的所述反应区。

6.根据权利要求1所述的反应器系统，其中所述至少一个电阻加热元件被配置为在所述反应区中产生电阻加热，导致至少200℃的温度。

7.根据权利要求1所述的反应器系统，其中所述至少一个电阻加热元件由选自由FeCrAl、NiCr、SiC、MoSi₂、NiCu、NiCrFe、MnNiCu、CrAlSiCFe、NiCoMnSiFe和NiAlTi组成的组的材料构成。

8.根据权利要求1所述的反应器系统，还包括

a.多个电阻加热元件；

b.其中所述电阻加热元件被布置成使得从流体到固体的物质扩散和热传导时间小于空时；和

c.所述电阻加热元件被选择成使得横向热皮克列数小于一。

9.根据权利要求1所述的模块化反应器系统，其中所述系统被配置为促进乙烷裂化、丙烷裂化、石脑油裂化、甲烷裂解、氨分解、甲烷的干燥或蒸汽重整、逆水煤气变换、吸附-解吸过程和/或它们的混合。

10.根据权利要求1所述的模块化反应器系统，其中所述至少一个电阻加热元件还包括催化剂。