阅读说明：本技术 用热传递气体制备碳颗粒的系统和方法 (System and method for producing carbon particles with heat transfer gas ) 是由 彼得·L·约翰逊 亚历山大·F·赫尔曼 于 2018-03-08 设计创作，主要内容包括：用热传递气体制备碳颗粒的系统和方法。制备碳颗粒的方法可以包括通过焦耳加热来加热热传递气体,以及使所述热传递气体与反应性烃原料气体接触以生成所述碳颗粒和氢气。制备碳颗粒的方法可以包括借助于焦耳加热来加热热传递气体,以及将所述热传递气体与烃原料气体混合以生成所述碳颗粒。(Systems and methods for producing carbon particles with a heat transfer gas. A method of making carbon particles can include heating a heat transfer gas by joule heating, and contacting the heat transfer gas with a reactive hydrocarbon feedstock gas to generate the carbon particles and hydrogen gas. A method of making carbon particles can include heating a heat transfer gas by joule heating, and mixing the heat transfer gas with a hydrocarbon feedstock gas to generate the carbon particles.)

用热传递气体制备碳颗粒的系统和方法

交叉引用

本申请要求于2017年3月8日提交的美国临时申请号62/468,824的权益，该申请通过引用整体并入本文。

发明内容

本公开内容提供了例如制备碳颗粒的方法，其包括：通过焦耳加热(Jouleheating)间接地加热热传递气体；以及使所述热传递气体与烃原料接触以生成所述碳颗粒和氢气。所述方法还可以包括使用一个或多个电阻加热元件来加热所述热传递气体。所述元件中的一个或多个可以包含石墨或是石墨。所述元件中的一个或多个可以包含或是钨、钼、铼、氮化硼、镍、铬、铁或其合金。所述元件中的元件可以是管形形状。所述元件中的元件可以是矩形形状。所述元件中的元件可以具有星形横截面。所述元件中的元件可以是中空的。所述元件可以是板。所述方法还可以包括将图案切入所述板中的板，其允许热应力消除。所述板可以从所述板上的初始点和所述板上沿着从所述初始点与所述热传递气体的下游流动方向一致的方向的点处加热所述热传递气体。所述板可以在从所述初始点与所述热传递气体的下游流动的方向一致的方向上的点处具有比所述初始点处的电阻更低的电阻。所述元件中的元件可以从所述元件上的初始点和所述元件上沿着从所述初始点与所述热传递气体的下游流动方向一致的方向的点处加热所述热传递气体。所述元件可以包括切入所述元件中的螺旋槽，所述螺旋槽可以在沿着从所述初始点与所述热传递气体的下游流动方向一致的方向上的所述元件上最远的点处提供更大的横截面积。所述方法还可以包括使用具有可替换的高温组件的并联电阻加热器。所述方法还可以包括使用安装管来容纳所述元件，并使用板来电阻加热所述热传递气体。所述板可以是石墨板。所述方法还可以包括使用安装管来电阻加热所述热传递气体。所述安装管可以彼此串联或并联电连接。所述方法还可以包括向所述元件供应大于或等于约750kW的功率。所述方法还可以包括使用基于电弧的等离子体加热所述元件下游来提高所述热传递气体的温度。所述接触可以处于大于或等于约500Nm³/hr(标准立方米/小时)的热传递气体流速。所述接触可以处于大于或等于约675Nm³/hr的烃原料流速。所述烃原料可以包含按重量计至少约70％的甲烷、乙烷、丙烷或其混合物。所述烃原料可以包括一种或多种简单烃、一种或多种芳族原料、一种或多种不饱和烃、一种或多种含氧烃或其任何组合。所述烃原料可以包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、苯、甲苯、二甲苯、甲基萘、裂解燃料油、煤焦油、煤、重油、油、生物油、生物柴油、其他生物衍生的烃、乙烯、乙炔、丁二烯、苯乙烯、乙醇、甲醇、丙醇、苯酚、酮类、醚类、酯类或其任何组合。超过约90％的烃原料可以以基于碳的重量百分比转化成碳颗粒。在通过一个或多个冷却的注入器注入所述烃原料时，所述热传递气体和所述烃原料可包括彼此接触。所述注入器可以是水冷的。所述烃原料可以在与所述热传递气体接触之前从第一温度预先加热到第二温度。所述第二温度可为约100℃至约800℃。所述第一温度可为约25℃。可以在所述加热之前经由热交换器预先加热所述热传递气体。所述热传递气体可以包含大于约60％的氢气。所述热传递气体可以是氢气。所述热传递气体可以包含氧气、氮气、氩气、氦气、空气、氢气、一氧化碳和/或烃。所述碳颗粒可以包括炭黑。所述方法还可以包括在无氧环境中加热所述热传递气体。所述方法还可以包括将所述热传递气体加热到至少约2,000℃。可以通过电阻加热进行所述加热。在初始暴露于所述热传递气体约2秒内，可以将所述加热的热传递气体中包含的大于约60％的热量转移到所述烃原料。

本公开内容还提供了例如制备碳颗粒的方法，其包括：借助于焦耳加热间接加热热传递气体；以及将所述热传递气体与烃原料混合以生成所述碳颗粒。所述方法还可以包括将所述热传递气体与所述烃原料混合以生成所述碳颗粒和氢气。所述方法还可以包括在所述加热的下游将所述热传递气体与所述烃原料混合。所述方法还可以包括使用所述加热的热传递气体来加热所述烃原料。所述碳颗粒可以包括炭黑。所述炭黑可以具有大于约20平方米/克(m²/g)的表面积。所述方法还可以包括(i)将所述热传递气体加热到至少约2,000℃，(ii)在无氧环境中加热所述热传递气体或(iii)其组合。所述热传递气体可以包含大于约60％的氢气。所述方法还可以包括在所述焦耳加热下游借助于基于电弧的等离子体加热来加热所述热传递气体。所述方法还可以包括借助于电阻加热、基于电弧的等离子体加热或其组合来加热所述热传递气体。所述焦耳加热可以包括电阻加热。所述方法还可以包括随着所述热传递气体的温度升高而减小来自元件的热通量。所述方法还可以包括减小所述元件的电阻以减小所述热通量。所述焦耳加热可以包括使用具有可变电阻的元件来进行所述加热。所述方法还可以包括随着所述热传递气体的温度升高使用所述可变电阻来减小热通量。所述方法还可以包括随着所述热传递气体的温度升高改变元件的电阻来减小热通量。所述方法还可以包括沿着与所述热传递气体的流动方向一致的方向沿着所述元件减小所述热通量。所述方法还可以包括随着所述热传递气体流过的材料的温度升高而减小来自元件的热通量。被配置用于实现所述方法的系统可以包括用于间接加热待与所述烃原料混合的热传递气体的焦耳加热器。所述热传递气体可以不接触所述焦耳加热器。所述热传递气体可以不接触所述焦耳加热器的元件。

本公开内容还提供例如制备碳颗粒的方法，其包括通过焦耳加热来加热热传递气体；以及使所述热传递气体与反应性烃原料气接触以生成所述碳颗粒和氢气。可以利用电阻或感应加热元件来加热所述热传递气体。在初始暴露于所述热传递气体约2秒内，可以将所述加热的热传递气体中包含的大于约60％的热量转移到所述烃原料气体。可以在电阻或感应加热元件的下游使用基于电弧的等离子体加热来提高所述热传递气体的温度。所述元件可以包含石墨或是石墨。所述元件可以包含或是钨、钼、铼、氮化硼、镍、铬、铁或其合金。所述热传递气体可以是大于约60％的氢气。可以使用安装管来容纳所述元件，并且可以使用板来电阻加热所述热传递气体。可以在安装管中加热所述热传递气体，并且所述安装管可以彼此串联或并联电连接。可以通过大于或等于约750kW的功率向所述元件供应所述加热。所述接触可以处于大于或等于约500Nm³/hr(标准立方米/小时)的热传递气体流速。所述接触可以处于大于或等于约675Nm³/hr的烃原料气体流速。所述反应性烃原料可以包含按重量计至少约70％的甲烷、乙烷、丙烷或其混合物。所述电阻元件可以是板。所述板可以具有切入所述板中的图案，其允许热应力消除。所述热传递气体可以在所述板上的初始接触点处和在该点下游的点处接触所述板。所述板可以在与所述热传递气体的初始接触点下游的点处具有比所述初始接触点处的电阻更小的电阻。所述元件可以是管形形状。所述元件可以是矩形形状。所述元件可以具有星形横截面。所述元件可以是中空的。所述热传递气体可以在所述元件上的初始接触点处和在该点下游的点处接触所述元件。所述元件可以包括切入所述元件中的螺旋槽，所述螺旋槽在与所述热传递气体初始接触的点下游的所述元件上最远的点处提供更大的横截面积。可以使用包括冷却金属线圈和感受器的感应加热器。所述感受器可以是多孔的或具有允许所述热传递气体通过所述感受器传输的孔。超过约90％的烃原料可以基于碳的重量百分比转化成碳颗粒。在通过一个或多个冷却的注入器注入所述反应性烃原料气体时，所述热传递气体和所述反应性烃原料气体可以彼此接触。所述注入器可以是水冷的。所述烃原料可以在与所述热传递气体接触之前预先加热到约100℃至约800℃的温度。可以在所述加热之前经由热交换器预先加热所述热传递气体。可以通过电阻加热进行所述加热。所述热传递气体可以是氢气。可变节距电感线圈可以用于改变沿感受器的瓦特负载。可以使用具有可替换的高温组件的并联电阻加热器。所述碳颗粒可以包括炭黑。所述板可以是石墨板。可以在无氧环境中加热所述热传递气体。可以将所述热传递气体加热到至少约2,000℃。

本公开内容还提供了例如制备碳颗粒的方法，其包括借助于焦耳加热来加热热传递气体，并将所述热传递气体与烃原料混合以生成所述碳颗粒。所述方法可以包括将所述热传递气体与所述烃原料混合以生成所述碳颗粒和氢气。所述方法可以包括在所述加热的下游将所述热传递气体与所述烃原料混合。所述碳颗粒可以包括炭黑。所述方法可以包括将所述热传递气体加热到至少约2,000℃，在无氧环境中加热所述热传递气体或其组合。所述热传递气体可以包含大于约60％的氢气。所述方法可以包括在所述焦耳加热下游借助于基于电弧的等离子体加热来加热所述热传递气体。所述方法可以包括借助于电阻加热、感应加热、基于电弧的等离子体加热或其任何组合来加热所述热传递气体。所述焦耳加热可以包括电阻加热、感应加热或其组合。所述方法可以包括随着所述热传递气体的温度升高而减小从元件到所述热传递气体中的热通量。所述方法可以包括(i)在下游方向上减小所述元件的电阻以减小所述热通量，或(ii)在下游方向上减小磁场或增加所述元件的厚度以减小所述热通量。所述焦耳加热可以包括使用具有可变电阻的元件来进行所述加热。所述方法可以包括使用所述可变电阻随着所述热传递气体的温度升高而减小热通量，以便保护所述元件。所述焦耳加热可以包括使用具有可变磁场或可变厚度的元件来进行所述加热。所述方法可以包括使用所述可变磁场或所述可变厚度随着所述热传递气体的温度升高而减小热通量，以便保护所述元件。所述方法可以包括改变元件的电阻、磁场或厚度，以在沿所述元件的下游方向上减小热通量。被配置用于实现所述方法的系统可以包括用于加热待与烃原料混合的热传递气体的焦耳加热器。

这些和额外的实施方式在下文进一步描述。

附图说明

本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考以下对利用本发明原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述以及附图(在本文中也称为“图”)，将会获得对本发明的特点和优点的更好理解，在这些附图中：

图1是反应器的实例的示意图；

图2A、图2B、图3A和图3B示出了元件系统的实例；

图4和图5示出了螺旋切割元件/管的实例；

图6A示出了螺旋切割元件/管的另一实例；

图6B是示出图6A中的T₁与T₂的关系并且结合到更大的同心系统中的实例的电气示意图；

图7A、图7B和图7C示出了直径增加的螺旋管加热器的实例；

图8A是螺旋卷绕元件的实例；

图8B是筒匣组件管的实例；

图9是感应加热元件的实例；

图10和图11图示了加热方法的组合的实例；

图12是另一反应器的实例的示意图；以及

图13是又一反应器的实例的示意图。

具体实施方式

本文示出的细节仅仅是作为实例并且出于对本发明的各种实施方式进行说明性讨论的目的，并且为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和易于理解的描述而呈现。在这方面，不尝试以比基本理解本发明所必需的更详细地显示本发明的细节，该描述使本领域技术人员明白如何能够在实践中体现本发明的几种形式。

现在将参考更详细的实施方式描述本发明。然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使本公开内容更加彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

除非另有定义，否则本文使用的全部技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本文的本发明说明书中使用的术语仅用于描述特定实施方式，而不旨在限制本发明。除非上下文另有明确规定，否则如在本发明的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也意在包括复数形式。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献都通过引用整体明确地并入本文。

除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示成分的数量、反应条件等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非另有相反指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，其可以根据通过本发明寻求获得的期望性质而变化。至少，并且并非试图将等同原则的应用限制在权利要求书的范围内，每个数值参数应该根据有效数位的数字和普通的舍入方法来解释。

尽管阐述本发明广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实例中阐述的数值的报告尽可能精确。然而，任何数值固有地包含由在其各自的测试测量中出现的标准偏差必然导致的某些误差。在整个本说明书中给出的每个数值范围将包括落入这样的较宽的数值范围内的每个较窄的数值范围，如同这样的较窄的数值范围都在本文中明确写出。

本发明的额外优点将在下面的描述中部分地阐述，并且将从描述中部分地容易理解，或者可以通过本发明的实践来了解。应当理解，前述一般描述和以下详细描述仅为示例性和解释性的，并非限制请求保护的本发明。应当理解，本发明的不同方面可以单独地、共同地或彼此组合地进行理解。

本公开内容提供了用于影响化学变化的系统和方法。影响这样的化学变化的可以包括使用本公开内容的系统和方法制备颗粒(例如，碳颗粒，例如炭黑)。尽管这样的颗粒在本文可主要在碳颗粒方面或在碳颗粒的背景下描述，但本公开内容的颗粒可包括其他类型的颗粒。本文所述的系统和方法可以使用电能来影响化学变化。该化学变化可以包括用热传递气体制备碳颗粒(例如，炭黑)。本文提供了用热传递气体制备碳颗粒(例如，炭黑)的系统和方法。例如，碳颗粒(例如，炭黑)可以通过加热热传递气体(例如，加热到至少约2,000℃)，然后使热传递气体与反应性烃原料气体接触以生成碳颗粒(例如，炭黑)和氢气。可以使用焦耳加热器来加热待与烃混合的热传递气体。在一些情况下，可在无氧环境中加热所述热传递气体。从生态学和效率的角度来看，借助于本文的系统和方法实施的过程可能是非常有前景的。例如，在炭黑的情况下，本文所述的过程可比现有的炉过程排放少约5倍至约10倍的CO₂。

热传递气体可与烃原料混合以生成碳颗粒(例如，炭黑)。本文所述的过程可以提供热传递气体与反应性气体原料的快速混合。本文所述的过程可提供足够高的反应温度(例如，大于约1,300℃或1,500℃)以形成高质量的碳颗粒(例如，高质量的炭黑)。这些步骤/因素可以允许例如生产高表面积和高结构炭黑(例如，在诸如轮胎等性能驱动的应用中可能是必要的)。

碳颗粒可以包括细颗粒。细颗粒可以被描述为具有至少一个维度小于100nm(纳米)的颗粒。碳颗粒可以包括球形和/或椭圆形细碳颗粒。球形或椭圆形颗粒可以指单个颗粒，并且还可以指以类似于一串葡萄或腺泡状的方式粘在一起的多个颗粒。炭黑可以是这种类型的细碳颗粒的实例。碳颗粒可以包括几层石墨烯(FLG)，其可包括具有两层或更多层石墨烯并且具有最好描述为平坦或基本上平坦的形状的颗粒。碳颗粒可以基本上为圆盘形式。碳颗粒可以包括碳质颜料。碳颗粒可以包括碳纳米颗粒。碳纳米颗粒可以包括碳含量为90％或更多，表面积大于5m²/g(平方米/克)并且体积等效球的直径小于1微米(液体排水量相当于每个颗粒为1微米球体或更小的球体)的任何颗粒。作为非限制性实例，这可包括许多不同的形状，其包括盘状、碗状、锥形、聚集盘状、几层石墨烯(FLG)、椭圆形、聚集椭圆形、球形和聚集球形(例如，炭黑)。碳纳米颗粒还可以包含多种这些颗粒形状。以数目为基础，在任何给定的碳纳米颗粒样品中，至少90％的颗粒可以落入碳纳米颗粒的该定义的范围内。

本文所述过程可以将热传递气体加热到大于约2,000℃并快速将该热传递气体与反应性烃原料混合。在实例中，总混合气体中的约三分之二(按体积计)可以是热传递气体，并且总混合气体的约三分之一(按体积计)可以是原料气体(例如，甲烷)。如果热传递气体的温度低于约1,800℃，则可能损害高质量碳颗粒(例如，炭黑)的产生。这种类型的加热和在反应器中混合的能力可以有利地用于例如炭黑制造的领域。本文所述的系统和方法可以将平均气体与热表面的距离减小，以便使向气体的热传递最大化，因为本文所述的加热器的操作窗口在一些情况下可能接近结构材料的可操作使用寿命，这可能需要使转移气体的热能最大化。

热传递气体可以包含至少约60％的氢气到至多约100％的氢气(按体积计)，并且还可以包含至多约30％的氮气、至多约30％的CO、至多约30％的CH₄、至多约10％的HCN、至多约30％的C₂H₂和至多约30％的Ar。例如，热传递气体可以是大于约60％的氢气。此外，热传递气体还可以包含多环芳烃如蒽、萘、蔻、芘、芴等。此外，热传递气体可以存在有苯和甲苯或者类似的单芳烃组分。例如，热传递气体可以包含大于或等于约90％的氢气，以及约0.2％的氮气、约1.0％的CO、约1.1％的CH₄、约0.1％的HCN和约0.1％的C₂H₂。热传递气体可包含大于或等于约80％的氢气，并且其余部分可以包括上述气体、多环芳烃、单芳烃和其他组分的一些混合物。可以使用诸如氧气、氮气、氩气、氦气、空气、氢气、一氧化碳、烃(例如，甲烷、乙烷、不饱和烃)等(单独使用或以两种或多种的混合物使用)的热传递气体。热传递气体可以包含按体积计大于或等于约50％的氢气。热传递气体可以包含例如氧气、氮气、氩气、氦气、空气、氢气、烃(例如，甲烷、乙烷)等(单独使用或以两种或多种的混合物使用)。热传递气体可以包含按体积计大于约70％的H₂，并且可以包含至少约1ppm水平的气体HCN、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、CO、苯或多环芳烃(例如，萘和/或蒽)中的至少一种或多种。在加热之前、期间和/或之后，热传递气体可以具有这样的组合的至少子集。

烃原料可以包括具有式C_nH_x或C_nH_xO_y,的任何化学物质，其中n为整数；x(i)在1与2n+2之间，或(ii)对于燃料如煤、煤焦油、裂解燃料油等，为小于1；并且y在0与n之间。烃原料可包括，例如，简单烃类(例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)、芳族原料(例如，苯、甲苯、二甲苯、甲基萘、裂解燃料油、煤焦油、煤、重油、石油、生物油、生物柴油、其他生物衍生的烃等)、不饱和烃类(例如，乙烯、乙炔、丁二烯、苯乙烯等)、含氧烃类(例如，乙醇、甲醇、丙醇、苯酚、酮类、醚类、酯类等)或其任何组合。提供这些实例作为可接受的烃原料的非限制性实例，其还可以与其他组分组合和/或混合用于制造。烃原料可以指其中大部分原料(例如，按重量计大于约50％)本质上是烃的原料。反应性烃原料可包含按重量计至少约70％的甲烷、乙烷、丙烷或其混合物。烃原料可以是天然气。烃可以是甲烷、乙烷或丙烷或其混合物。在一些实例中，大于约90％的烃原料可以基于碳的重量百分比转化成碳颗粒(例如，炭黑)。

可以利用等离子体能量来裂化烃原料。例如，可以利用等离子弧(例如，在没有氧的情况下)裂化烃原料，从而生成碳粒(例如，炭黑)和氢气。在一些实现方式中，可以在无氧气氛中生产(例如，制造)碳颗粒。无氧气氛可以包括例如，按体积计小于约5％的氧气、小于约3％的氧气(例如，按体积计)或小于约1％的氧气(例如，按体积计)。

在一些情况下，基于电弧的等离子体过程(例如，借助于两个电极和DC电源或者三个电极和AC电源生成)中的等离子体中的温度可能超过10,000℃，以及/或者在等离子体自身周围经历的热通量可能超过10⁵W/m K(瓦特/米开尔文)。很少有材料可以在这些热环境中幸存。此外，大规模基于电弧的等离子体炭黑厂用的电源可能非常复杂和/或难以设计和操作。

可以经由电阻或感应加热技术将热传递气体加热到等离子体温度或接近合适的等离子体温度。然后可以将该热传递气体与烃原料混合以快速加热烃，从而引起热裂化并导致形成碳颗粒(例如，炭黑)和氢气。本文所述的系统和方法可以允许例如通过非燃烧和非电弧等离子体方法制造高质量的碳颗粒(例如，炭黑)。在一些实例中，本文的系统和方法可以经由基本上无氧(例如，小于约5％的氧气(按体积计)，或小于约3％的氧气(按体积计)的过程制造(例如，以商业规模)高表面积(例如，大于约20平方米/克(m²/g))炭黑。

可以利用电阻或感应加热元件来加热所述热传递气体。可以以例如大于或等于约750kW或1,000kW的功率的速率向元件供应加热。可以使热传递气体与反应性烃原料气体以大于或等于约500Nm³/hr(标准立方米/小时)的热传递气体流速接触(例如，以生成碳颗粒，例如炭黑)。可以使热传递气体与反应性烃原料气体以大于或等于约675Nm³/hr的烃原料气体流速接触(例如，以生成碳颗粒，例如炭黑)。

图10图示了过程或方法1000中的加热方法的组合的实例。可以在1002中电力加热(例如，通过焦耳加热)热传递气体(本文也称为“过程气体”和“传递气体”)1001。例如，可以使用电阻加热器、感应加热器或其组合在1002中加热热传递气体。可以使用等离子体加热器(其可以例如如本文其他地方所述)在1003中加热热传递气体。可以将烃1004注入反应器1005中，在那里其可以与加热的热传递气体混合。

在与热传递气体接触之前，可以将烃原料预先加热(例如，从约25℃的温度)至约100℃至约800℃的温度。可以在加热之前(例如，在1002中加热之前)预先加热热传递气体。参见例如共同受让的共同未决的国际专利公开号WO 2017/034980(“HIGH TEMPERATUREHEAT INTEGRATION METHOD OF MAKING CARBON BLACK”)，其通过引用整体并入本文。

图11图示了过程或方法1100中的加热方法的组合的实例。可以在1102中加热(例如，通过热交换器中的热交换预先加热)热传递气体(本文也称为“过程气体”和“传递气体”)1101。可以通过热交换(例如，利用燃烧或核过程)在1103中加热热传递气体。可以在1104中电力加热(例如，通过焦耳加热)热传递气体。可以使用电阻加热器、感应加热器或其组合在1104中加热热传递气体。可以使用等离子体加热器(其可以例如如本文其他地方所述)在1105中加热热传递气体。可以将烃1107注入反应器1106中，在那里其可以与加热的热传递气体混合。热传递气体的流可以包括例如流1108、1109、1110、1111、1112、1113、1114、1115或其子集。在实例中，可以在1102中加热热传递气体，然后进行加热1104或1105。

焦耳加热可以与其他类型的加热器组合(例如，从而以最小的资金成本实现最大的加热或者控制挑战)。例如，可以在电阻或感应加热元件的下游使用基于电弧的等离子体加热来提高热传递气体的温度。在实例中，电阻加热器可以放置在电弧等离子体加热器的上游。可以使用电阻加热器实现约2,900℃-2,950℃的气体温度，然后等离子体加热器可以进一步提高温度。这样的组合可以有利地限制等离子体加热器的大小和材料在非常高的温度中的暴露，同时还由于进入气体的高温产生非常稳定的等离子弧。在另一实例中，感应加热器可以与电弧等离子体加热器串联组合。可以使用焦耳加热达到接近感应加热器材料(例如，石墨)的最高温度的温度，然后可以使用电弧加热将温度提高到超过焦耳加热可实现的温度。在又一实例中，可以借助于电阻加热、感应加热、基于电弧的等离子体加热或其任何组合来加热热传递气体。

可以将热传递气体加热到和/或可以使原料经历大于或等于约1,000℃、1,100℃、1,200℃、1,300℃、1,400℃、1,500℃、1,600℃、1,700℃、1,800℃、1,900℃、2,000℃、2050℃、2,100℃、2,150℃、2,200℃、2,250℃、2,300℃、2,350℃、2,400℃、2,450℃、2,500℃、2,550℃、2,600℃、2,650℃、2,700℃、2,750℃、2,800℃、2,850℃、2,900℃、2,950℃、3,000℃、3,050℃、3,100℃、3,150℃、3,200℃、3,250℃、3,300℃、3,350℃、3,400℃或3,450℃的温度。备选地或附加地，可以将热传递气体加热到和/或可以使原料经历小于或等于约3,500℃、3,450℃、3,400℃、3,350℃、3,300℃、3,250℃、3,200℃、3,150℃、3,100℃、3,050℃、3,000℃、2,950℃、2,900℃、2,850℃、2,800℃、2,750℃、2,700℃、2,650℃、2,600℃、2,550℃、2,500℃、2,450℃、2,400℃、2,350℃、2,300℃、2,250℃、2,200℃、2,150℃、2,100℃、2050℃、2,000℃、1,900℃、1,800℃、1,700℃、1,600℃、1,500℃、1,400℃、1,300℃、1,200℃或1,100℃的温度。可以将热传递气体加热到这样的温度，例如，如本文关于图10和图11所述。例如，可以通过焦耳加热器(例如，直接或间接)、通过等离子体加热器或其组合将热传递气体加热到这样的温度。

可以以例如大于或等于约1标准立方米/小时(Nm³/hr)、2Nm³/hr、5Nm³/hr、10Nm³/hr、25Nm³/hr、50Nm³/hr、75Nm³/hr、100Nm³/hr、150Nm³/hr、200Nm³/hr、250Nm³/hr、300Nm³/hr、350Nm³/hr、400Nm³/hr、450Nm³/hr、500Nm³/hr、550Nm³/hr、600Nm³/hr、650Nm³/hr、700Nm³/hr、750Nm³/hr、800Nm³/hr、850Nm³/hr、900Nm³/hr、950Nm³/hr、1,000Nm³/hr、2,000Nm³/hr、3,000Nm³/hr、4,000Nm³/hr、5,000Nm³/hr、6,000Nm³/hr、7,000Nm³/hr、8,000Nm³/hr、9,000Nm³/hr、10,000Nm³/hr、12,000Nm³/hr、14,000Nm³/hr、16,000Nm³/hr、18,000Nm³/hr、20,000Nm³/hr、30,000Nm³/hr、40,000Nm³/hr、50,000Nm³/hr、60,000Nm³/hr、70,000Nm³/hr、80,000Nm³/hr、90,000Nm³/hr或100,000Nm³/hr的速率将热传递气体提供至系统(例如，提供至反应器)。备选地或附加地，可以以例如小于或等于约100,000Nm³/hr、90,000Nm³/hr、80,000Nm³/hr、70,000Nm³/hr、60,000Nm³/hr、50,000Nm³/hr、40,000Nm³/hr、30,000Nm³/hr、20,000Nm³/hr、18,000Nm³/hr、16,000Nm³/hr、14,000Nm³/hr、12,000Nm³/hr、10,000Nm³/hr、9,000Nm³/hr、8,000Nm³/hr、7,000Nm³/hr、6,000Nm³/hr、5,000Nm³/hr、4,000Nm³/hr、3,000Nm³/hr、2,000Nm³/hr、1,000Nm³/hr、950Nm³/hr、900Nm³/hr、850Nm³/hr、800Nm³/hr、750Nm³/hr、700Nm³/hr、650Nm³/hr、600Nm³/hr、550Nm³/hr、500Nm³/hr、450Nm³/hr、400Nm³/hr、350Nm³/hr、300Nm³/hr、250Nm³/hr、200Nm³/hr、150Nm³/hr、100Nm³/hr、75Nm³/hr、50Nm³/hr、25Nm³/hr、10Nm³/hr、5Nm³/hr或2Nm³/hr的速率将热传递气体提供至系统(例如，提供至反应器)。可以以这样的速率组合本文所述的一种或多种原料流速将热传递气体提供至系统(例如，提供至反应器)。可以以这样的流速将热传递气体加热到本文所述的一个或多个温度。

可以以例如大于或等于约50克/小时(g/hr)、100g/hr、250g/hr、500g/hr、750g/hr、1千克/小时(kg/hr)、2kg/hr、5kg/hr、10kg/hr、15kg/hr、20kg/hr、25kg/hr、30kg/hr、35kg/hr、40kg/hr、45kg/hr、50kg/hr、55kg/hr、60kg/hr、65kg/hr、70kg/hr、75kg/hr、80kg/hr、85kg/hr、90kg/hr、95kg/hr、100kg/hr、150kg/hr、200kg/hr、250kg/hr、300kg/hr、350kg/hr、400kg/hr、450kg/hr、500kg/hr、600kg/hr、700kg/hr、800kg/hr、900kg/hr、1,000kg/hr、1,100kg/hr、1,200kg/hr、1,300kg/hr、1,400kg/hr、1,500kg/hr、1,600kg/hr、1,700kg/hr、1,800kg/hr、1,900kg/hr、2,000kg/hr、2,100kg/hr、2,200kg/hr、2,300kg/hr、2,400kg/hr、2,500kg/hr、3,000kg/hr、3,500kg/hr、4,000kg/hr、4,500kg/hr、5,000kg/hr、6,000kg/hr、7,000kg/hr、8,000kg/hr、9,000kg/hr或10,000kg/hr的速率将原料(例如，烃)提供至系统(例如，提供至反应器)。备选地或附加地，可以以例如小于或等于约10,000kg/hr、9,000kg/hr、8,000kg/hr、7,000kg/hr、6,000kg/hr、5,000kg/hr、4,500kg/hr、4,000kg/hr、3,500kg/hr、3,000kg/hr、2,500kg/hr、2,400kg/hr、2,300kg/hr、2,200kg/hr、2,100kg/hr、2,000kg/hr、1,900kg/hr、1,800kg/hr、1,700kg/hr、1,600kg/hr、1,500kg/hr、1,400kg/hr、1,300kg/hr、1,200kg/hr、1,100kg/hr、1,000kg/hr、900kg/hr、800kg/hr、700kg/hr、600kg/hr、500kg/hr、450kg/hr、400kg/hr、350kg/hr、300kg/hr、250kg/hr、200kg/hr、150kg/hr、100kg/hr、95kg/hr、90kg/hr、85kg/hr、80kg/hr、75kg/hr、70kg/hr、65kg/hr、60kg/hr、55kg/hr、50kg/hr、45kg/hr、40kg/hr、35kg/hr、30kg/hr、25kg/hr、20kg/hr、15kg/hr、10kg/hr、5kg/hr、2kg/hr、1kg/hr、750g/hr、500g/hr、250g/hr或100g/hr的速率将原料(例如，烃)提供至系统(例如，提供至反应器)。

与电弧等离子体电源相比，电阻或感应加热电源借助利用标准电压AC电力以及整流DC电压的能力可以非常简单地构造和使用。石墨可以用作构造材料，这是由于例如其耐腐蚀性、相对平坦的温度相关电阻率曲线、材料成本、温度下的电负载能力、非常高温度下的坚固性、辐射的高发射率或其任何组合。还可以使用其他材料，特别是在焦耳加热系统的较低温度区域(例如，与石墨组合)。这些材料可以包括例如碳化硅、钨、其他难熔金属或焦耳加热系统中使用的高温金属。

图12示出了反应器的一部分的横截面。在该实例中，可以通过使用三个或更多个AC电极、通过使用同心DC电极或者通过使用电阻或电感加热器在反应器的上部生成热传递气体1201。热传递气体可以包含按体积计至少约50％的氢气，其为至少约2,400℃。烃注入器1202可以被冷却并且可以从反应器的侧面进入，然后转向为相对于热传递气体流的轴向位置。烃注入器端头1203可以是一个开口或多个开口，其可以以顺时针或逆时针流动模式注入烃以优化混合。收缩区域1204可导致反应器变窄，并且然后是收缩区域下游的扩散区域1205。参见例如共同受让的共同未决的国际专利公开号WO 2017/044594(“CIRCULAR FEWLAYER GRAPHENE”)、WO 2017/048621(“CARBON BLACK FROM NATURAL GAS”)、WO 2017/190045(“SECONDARY HEAT ADDITION TO PARTICLE PRODUCTION PROCESS ANDAPPARATUS”)和WO 2017/190015(“TORCH STINGER METHOD AND APPARATUS”)，其中每个专利都通过引用整体并入本文。

图1示出了另一反应器的一部分的横截面。反应器可以分成两个部分或区，即热激活区0010和反应器区0013，天然气或其他原料注入在其之间的区域中进行。顶部区域0010可以包括具有安装管0011的配置中的热激活区(其中热传递气体被加热)。安装管可以用作电阻元件或容纳电阻元件。电阻元件可以加热热传递气体。安装管可以包括保持元件的结构。热传递气体(例如，可以加热到约3,000℃)可以与反应性气体(原料)快速混合。如果将反应性气体直接加热到高温，则热传递气体与反应性气体的快速混合可能降低或消除最终产品(例如，炭黑)中可能出现的不均匀性。中间区域0012可以包括喉部。烃可以进入反应器并在注入区0013中与热传递气体混合。注入区0013可以包括或者包围喉部及喉部上游和下游的一些另外的空间。反应器可以包括反应区，该反应区包括反应器中在注入烃原料的点之后的任何区域。

喉部0012可以将两个区域分开和/或加速热传递气体，使得可以在较小的区域中发生更强烈的混合。喉部可以定义为热激活区与反应区之间最窄的部分。喉部的长度可以是几米或小到约0.5至约2毫米。喉部的最窄点可以定义为喉部的最窄直径+20％。在最窄横截面的约10％内的任何横截面可以被认为是在喉部的范围内。一个直径可以定义为喉部最窄点处的喉部直径。进入反应器的烃注入点可以定位在喉部上游约5个直径至喉部下游约5个直径处。注入可以发生在喉部的约+/-2个直径或约+/-1个直径内。烃原料的注入可以发生在例如从位于中心的注入器径向向外或从反应器容器的壁径向向内。注入器可以经由冷却液(例如，水)冷却。注入器可以由合适的材料制成，例如铜、不锈钢、石墨和其他具有高熔点和良好耐腐蚀性(例如，对于氢自由基环境)的类似材料。虽然如图1所示的反应器具有向下流动的垂直取向，但还可以使用向上流动或水平反应器取向。

图2A和图2B(相对于彼此围绕垂直轴旋转90度)示出了包含用于加热热传递气体的加热元件的安装管0025的实例。安装管0025可以填充有电阻加热板0022，并且该板可以连接到电源，该电源提供电力以加热该板。安装管0025可以包括内衬0024。安装管的内衬0024可以填充有石墨毡或一些其他热绝缘和/或电绝缘材料。

可以提供电连接0020以加热元件。热传递气体的流动(由箭头0021指示)可以沿着元件材料或加热板0022(其是一种元件)。可以在连接件0020处提供陶瓷板0023，以用作热绝缘体和电绝缘体，并且用作板的安装表面。可以沿着元件和安装管0025的侧面包装热绝缘和/或电绝缘材料0024(例如，石墨毡、包装二氧化硅气凝胶、高温陶瓷材料或类似材料)(例如，可以提供更有效的热传递)。安装管和/或元件可以由例如石墨等材料制成。可以将足够的热量传递给原料以形成高质量的碳颗粒(例如，炭黑)。一旦注入原料，使两种气体达到平衡(例如，热平衡)的至少一些热传递可以在小于或等于约2秒内发生。在实例中，可以在初始暴露于热传递气体约2秒内将加热的热传递气体中包含的约30％至约80％，或约40％至约70％的热量传递到烃原料中。在另一实例中，可以在初始暴露于热传递气体约2秒内将加热的热传递气体中包含的大于约60％的热量传递到烃原料中。

元件可以布置成填充到石墨管中的一系列板(例如，如图2A和图2B所示)。板可以是矩形或正方形板。板可以具有切入板中的设计或图案，以例如减小板上的最下游点处的电阻或使该电阻最小化。可变电阻可用于减少较高温度(例如，下游)处的热通量以保护元件。在图2B中，板中的切口可以产生曲折路径，其可以在板的底部或最下游部分(例如，底部部分)提供更大的有效横截面积。切口可以制作成完全穿过板(例如，切口可以延伸穿过板的厚度)。板可以以足以防止电弧穿过间隙的距离或间隙彼此间隔开。切口可以允许调节电阻，并因此调节温度。切口可以(例如，还)减小与热膨胀相关的应力。例如，板可以具有切入板中的设计或图案，其允许热应力消除。加热板可以具有晶粒结构(grain structure)，以在至多例如约3,000℃的板温度下限制由温度导致的腐蚀或升华。

继续参考图2A和图2B，热传递气体流可以被引导通过管(例如，安装管)的顶部并在板的表面上方(例如，在每个管的表面上方)。板的厚度可以沿下游方向增加(例如，板可以朝向板的下游部分变厚)。这可能进一步增大板底部的较大横截面积并且实现沿着板的主体和表面的温度梯度。

板可以以并联(例如，参见图8A和图8B)、串联或其组合彼此连接。板可以构成几个独立的电路。例如，板的一个管(例如，安装管)可以包括布置为一个回路的四个或更多个板。反应器可以包括一个或多个(例如，几个)管。管(例如，安装管)可以具有例如约0.5米至约5米的长度和约1米的直径。可以将几组管(例如，至少2、3、4、5、10、15、20个或更多个安装管)设置为一组在另一组之上(例如，以提供热传递气体的加热阶梯)和/或并联安装(例如，用于向反应器提供热量)。安装管可以彼此串联地电连接、彼此并联地电连接或其组合。

另一实例包括使用管作为元件。管可以(例如，还)嵌套在外鞘套中。本文所述的外鞘套或安装管可以是圆柱形、椭圆形、多边形(例如，矩形或正方形)、弯曲或不规则形状。使外鞘套或安装管可以成形为以提高空间使用效率。在实例中，所有实施方式中的外鞘套或安装管可以是圆柱形形状或者可以是矩形形状(例如，使得可以实现最有效的空间使用)。例如，可以以这样的方式安装管，使得管可以用作元件(例如，如图3A和图3B所示)。这些元件可以是例如：空心或实心的；圆柱形或矩形形状(横截面)；具有各种可能的星形(3个尖、4个尖、5个尖等)的几何星形；或者椭圆形、多边形、弯曲或不规则形状。至少在一些配置中，本文中对外鞘套的任何描述可以同等地适用于安装管，反之亦然。外鞘套可以是安装管，反之亦然。

图3A和图3B示出了电阻加热器(本文也称为“电阻性加热器”)的另一实例。加热器由一系列管形元件0031组成。热传递气体可以例如轴向地(例如，作为气流1和2)或径向地流过管(例如，气体可以沿着元件的长度流动，或者通过元件的侧面进入和离开)。在管的顶部和底部处的元件连接器(例如，石墨连接器)可以允许电流流过元件以生成电阻热。电绝缘板(例如，陶瓷)可以分离元件管并将它们固定到位。

图3A和图3B中的管可以互连(例如，在管的顶部和底部连接)，以在一个安装管内形成一个电阻电路(例如，串联电路)。在每个安装管内还可以使用多个电路。例如，可以连接所有元件管以产生一个电路，或者可以连接管的子集以产生多个电路。安装管可以具有例如约0.5米至约5米的长度和约1米的直径。此外，元件不需要包含在安装管中，而是可以是独立的。

图4示出了元件0045(例如，图3A和图3B中的元件0031)的实例。热传递气体可以流过元件0045(由0040指示)以及围绕元件0045流动(由0041指示)。在该实例中，可以在从顶部到底部的方向上将逐渐增加间距的凹槽0042切入元件中以生成弹簧样外观。作为螺旋槽的结果，元件顶部0043的初始电阻可能大于元件底部0044的最终电阻，从而生成从顶部到底部逐渐减小的电阻梯度。该梯度可以通过减少进入较热气体的热通量而有助于即使当热传递气体温度沿其长度升高时也保持电阻元件温度较低。这可以通过控制螺旋切口使得底部的横截面积大于顶部的横截面积来实现。在该实例中，元件连接到热绝缘板和电绝缘板。绝缘板可以包括或耦合到与电源的电连接。图4中的元件可以包括或不包括(例如，可以制造有或不制造有)切口凹槽。例如，该元件可以以嵌套的同心管配置进行配置，其中一些或全部元件具有凹槽以及/或者一些或全部元件不具有凹槽。例如，对于嵌套元件(例如，从顶部到底部)，1,000kW(千瓦)加热器的12个管的外径可以从约0.075米增加到约0.35米。可以配置多个嵌套管，使得嵌套管垂直堆叠和/或以水平配置布置。

在管的保持器位于管的顶部而管的底部处具有非常少的支撑或没有支撑的配置中，管可能偏斜(例如，由于离轴应力分布)到高应力位置。这可能会降低这样的部件的寿命(例如，从而导致停机时间增加和例如炭黑的生产成本增加)。为了减轻这样的影响(例如，通过引入管元件的螺旋切口产生的应力产生)，可以切割另一螺旋，例如，与第一螺旋成180度(例如，相对于第一螺旋为180度的角度)。这还可以在与第一管电连接的第一管的外部或内部的管上进行。

图5示出了两个螺旋路径(例如，在两个螺旋切口T₁与T₂之间形成)，但是可以切割任何数目的螺旋路径(例如，围绕轴均匀地间隔开)。在切割多个螺旋路径的情况下，可以通过由T₁和T₂形成的路径平行地引导电流。路径的横截面区域可被配置成用并联电流产生期望的热通量。

电流的流动还可以(例如，备选地或附加地)串联地引导到具有两个、四个或更多个偶数螺旋切口(例如，至少2、4、6、8、10或12个螺旋切口)的单个管(其可以是中空元件，而不是包含一束元件的外壳)中，例如，如图6A中所示。

图6A示出了螺旋切割元件/管的实例，其中两个螺旋切口T₁和T₂一直延续到元件/管的顶部边缘，从而在切口之间产生两个路径的电分离。例如，电流可以沿着T₁路径向下流动然后沿着T₂路径向上返回，如图所示，反之亦然。元件可以串联连接到另一同心取向的管或中空元件。这样的配置可以有利地避免在加热器(例如，嵌套管加热器)的热端(例如，底部边缘)处进行任何电连接。

图6B是示出图6A中的螺旋切割元件/管中的T₁和T₂路径的电阻的电气示意图。图6B还提供了将图6A中的螺旋切割元件/管结合到更大的同心系统(例如，更大的同心圆筒或嵌套管)中的实例。

图7A、图7B和图7C示出了直径增加的3个螺旋管加热器。对于同心布置的螺旋管加热器，恒定的螺距可能导致不均匀的加热。随着直径D增加(例如，D₁<D₂<D₃)，恒定的螺距h可能导致越来越大的条带宽度b，从而导致更大直径的螺旋管加热器中更低的热通量。通过相对于管的直径改变螺距h(例如，h₁>h₂>h₃)，条带宽度b可以保持恒定(例如，b₁＝b₂＝b₃)。使用例如图7A、图7B和图7C中给出的函数(右上)，可以在相对于管的直径改变螺距h的同时使条带宽度b保持恒定。以这种方式，在任何给定高度处进入流动气体的热通量可以在多个管之间保持恒定。

螺旋节距可以沿着本文所述的加热器的长度变化(例如，类似于上述的螺旋管加热器)，以实现更高和/或更低的局部热通量。这可以允许在利用较冷的气体进入加热器的元件的冷端使用更高的热通量，以及在元件的热端使用较低的热通量，从而当元件接近其工作温度极限时，减小气体与元件之间的温差。螺距与管直径之间的关系可用于改变直径和改变通量。

图8A和图8B示出了并联加热系统的实例。该系统可包括例如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、40、50、75或100个筒匣。筒匣可以是元件。筒匣可以放置在相反电荷的两极之间。并行筒匣中一个的故障可能不会使整个系统丧失能力(例如，系统可以有利地提供冗余)。

在图8A和图8B所示的实例中，每个筒匣是具有从中间到外部的螺旋切口的平板，其中板的中部连接到一个极，在这种情况下是正极，并且板的外部连接到另一个极，在这种情况下是接地。不同的筒匣可以连接在一起并连接到相应的端子(例如，正极和接地端子)，例如，利用螺纹部分，如图8B所示。构造材料(例如，筒匣的构造材料)可以是例如石墨、碳化硅、钨或者其他高温金属或导电材料。螺旋筒匣的厚度和每个螺旋切口的宽度以及筒匣的外径可以确定每个筒匣的全电路长度和电阻，然后可以将它们并联组装以获得并联电流电阻加热系统的目标电阻。

如本文其他地方更详细描述的，本公开内容的焦耳加热系统可以包括一个或多个(例如，多个)加热元件。该系统可包括例如至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、40、50、75或100个元件。在实例中，该系统包括至少5个元件。

图9示出了用于加热热传递气体的感应加热元件的示意图。在该类型的加热中，可以使用导电感受器材料0091。可以将高频变化AC电流施加到缠绕在其周围的冷却线圈(例如，感应线圈)，其在感受器上下传递电流并经由焦耳加热来加热。感应加热器可以包括例如冷却的金属(例如，铜)线圈和感受器(例如，石墨)。在实例中，感受器可以是石墨，并且线圈可以包括围绕感受器以螺旋方式缠绕的水冷铜。感受器可以是基本上多孔的以及/或者包括一个或多个孔0092，其可以允许热传递气体穿过感受器。铜线圈的密度(例如，卷绕密度)可以沿着感受器(例如，石墨)的长度变化。在线圈密度较小处，可以减小磁场和加热电流。铜线圈的线圈密度(例如，每单位长度的线圈数)可以沿着感受器的长度变化，以减少进入气体的较热区域的热通量，从而控制感受器材料的温度。可变节距电感线圈可用于改变沿感受器(例如，沿着感受器的长度)的瓦特负载(例如，以改变磁场)。元件的可变厚度(例如，感受器的可变壁厚)可用于改变沿感受器的热通量。例如，板的厚度可以沿下游方向增加。

使用感应加热器(本文也称为“感应性加热器”)的优点可以包括，例如，不需要与加热元件进行电连接，以及/或者如果基座开始磨损并且电阻变化则可以调节线圈电流。

在另一实例中，加热板可以横向于气流布置。加热板可被配置成使得电阻沿着气流的长度减小(例如，电阻在气体流动方向上减小)。

可以容易地看出，本发明的元件可以采用各种形状和配置。元件可以紧密堆叠在一起，其具有足够的间隙以防止电弧穿过间隙，但允许气体在每个板之间流动。例如，间隙大小可以为约10mm至约500mm。元件的组件可以具有绝缘的管道通道，以使气体流过元件(例如，板)。组件的连接端可以在石墨或其他导电连接器与陶瓷绝缘体之间交替，以获得适当的电流流动路径。流过元件(例如，板)的电流可以是例如完全串联的，或者并联通过前两个、三个或更多个元件然后在每组之间串联，这取决于请勿的电压和电流特性。加热系统可以针对不同的功率水平和气流进行缩放，例如，简单地通过添加元件或者向每个板增加宽度或长度。在750kW加热器的实例中，大约18个厚度为约5毫米(mm)、宽度为约0.3米(m)且长度为约1.25m的板可以从约100℃到约2,900℃加热(例如，足以加热)大于或等于约0.0104kg/s(千克/秒)的氢气，同时保持低于石墨的最大瓦特负载曲线。在一些实现方式中，可以有利地使用具有易于更换的高温组件(例如，并联电阻加热器)的并联加热系统。

可以以合适的功率操作本公开内容的焦耳加热系统。该功率可以是例如大于或等于约0.5千瓦(kW)、1kW、1.5kW、2kW、5kW、10kW、25kW、50kW、75kW、100kW、150kW、200kW、250kW、300kW、350kW、400kW、450kW、500kW、550kW、600kW、650kW、700kW、750kW、800kW、850kW、900kW、950kW、1兆瓦(MW)、1.05MW、1.1MW、1.15MW、1.2MW、1.25MW、1.3MW、1.35MW、1.4MW、1.45MW、1.5MW、1.6MW、1.7MW、1.8MW、1.9MW、2MW、2.5MW、3MW、3.5MW、4MW、4.5MW、5MW、5.5MW、6MW、6.5MW、7MW、7.5MW、8MW、8.5MW、9MW、9.5MW、10MW、10.5MW、11MW、11.5MW、12MW、12.5MW、13MW、13.5MW、14MW、14.5MW、15MW、16MW、17MW、18MW、19MW、20MW、25MW、30MW、35MW、40MW、45MW、50MW、55MW、60MW、65MW、70MW、75MW、80MW、85MW、90MW、95MW或100MW。备选地或附加地，功率可以是例如小于或等于约100MW、95MW、90MW、85MW、80MW、75MW、70MW、65MW、60MW、55MW、50MW、45MW、40MW、35MW、30MW、25MW、20MW、19MW、18MW、17MW、16MW、15MW、14.5MW、14MW、13.5MW、13MW、12.5MW、12MW、11.5MW、11MW、10.5MW、10MW、9.5MW、9MW、8.5MW、8MW、7.5MW、7MW、6.5MW、6MW、5.5MW、5MW、4.5MW、4MW、3.5MW、3MW、2.5MW、2MW、1.9MW、1.8MW、1.7MW、1.6MW、1.5MW、1.45MW、1.4MW、1.35MW、1.3MW、1.25MW、1.2MW、1.15MW、1.1MW、1.05MW、1MW、950kW、900kW、850kW、800kW、750kW、700kW、650kW、600kW、550kW、500kW、450kW、400kW、350kW、300kW、250kW、200kW、150kW、100kW、75kW、50kW、25kW、10kW、5kW、2kW、1.5kW或1kW。

本文所述的加热器可以使用例如氢气(或富氢气体)作为热传递气体。这可能需要特殊的结构材料和/或独特的元件设计功能。氢气在传递热量方面能够非常有效，并且该性质可以使热传递气体能够达到例如元件温度的约100℃以内。当考虑到本文所述元件的温度可达到例如约3,000℃时，这可能至关重要。石墨可以达到这些温度并耐氢自由基腐蚀。

本公开内容的焦耳加热系统可以将热传递气体加热到例如元件温度的约1,000℃、950℃、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃、650℃、600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、350℃、300℃、250℃、200℃、150℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃或5℃以内。

除了直接加热热传递气体之外或除了(例如，而不是)直接加热热传递气体，本公开内容的元件可以通过加热(例如，通过辐射)设置在元件与热传递气体之间的材料间接地加热热传递气体，并且设置在元件与热传递气体之间的材料可以依次加热(例如，通过对流)热传递气体。热传递气体可以不接触元件。例如，可以通过电阻加热间接加热热传递气体(例如，使用电阻加热元件/电阻加热器)。这样的加热器可以设置在与热传递气体分开的区域或空间中(例如，热传递气体可以设置在与一个或多个加热器分开的区域或空间中)。热传递气体和加热器可以具有单独的边界。本公开内容提供了借助于(或通过)焦耳加热直接(例如，其中热传递气体可接触元件)或间接(例如，其中热传递气体可不接触元件)加热热传递气体的系统和方法。

加热材料(设置在元件与热传递气体之间)的元件可以是例如板、管、圆筒、块、杆、线圈或任何其他合适的形状(例如，可以如本文其他地方所述的元件)。该元件可以是实心的、中空的或其组合。由元件加热的材料可以与元件相邻设置。该元件可在例如在腔、管、管道、槽、狭缝、通道或者材料中的其他空间或区域内提供。该元件可以保持在惰性气氛中(例如，包括氩气、氦气、氮气和/或其他非反应性气体)。或者，可以不提供惰性气氛(例如，惰性气体)。元件可以保持在加压(例如，在大于或等于零的表(高于大气压)压力下)的气氛(例如，加压的惰性气氛)中。正压力可减少升华和/或提供其他益处。热传递气体可以例如在与包含该元件的任何空间或区域分离(例如，不与其流体连通)的腔、管、管道、槽、狭缝、通道或者材料中的其他空间或区域内提供。可以监测包含元件的空间或区域中的压力以及包含热传递气体的空间或区域中的压力(例如，以确保它们之间不存在流体交换)。材料可以是例如固体块或固体。腔、管、管道、槽、狭缝、通道或者其他空间或区域(例如，包含元件或热传递气体的上述空间或区域)可以在材料中(或在材料内)钻孔、雕刻或以其他方式形成。备选地或附加地，元件可以例如邻近管、管道、槽、狭缝、通道或由材料形成的其他合适的形状(例如，独立形状)提供。元件和材料可以例如封闭在较大的腔、管、管道、槽、狭缝、通道或容器中(例如，其可以由相同的材料形成)。热传递气体可以接触设置在元件与热传递气体之间的材料。热传递气体可以例如流过材料(例如，通过腔、管、管道、槽、狭缝、通道或者材料中的其他空间或区域)。元件可以单独提供，或者封闭在例如安装管、外鞘套、盖、腔或其他合适的组件中(例如，包括多个元件的安装管可以适于允许热传递远离安装管)。热传递气体可以经由材料由元件间接加热。在实例中，一个或多个电阻加热板可以邻近包含热传递气体流的通道放置。或者，电阻加热管可以围绕通道。一个或多个电阻加热板或电阻加热管可以被例如氩气、氦气、氮气和/或其他非反应性气体包围。一个或多个电阻加热板或电阻加热管可以加热通道壁，进而加热热传递气体(例如，包含至少约60％氢气的热传递气体)。在另一实例中，由材料形成的一个或多个管可以在腔或外管的内部(例如，其也可以由该材料形成)提供。腔或外管还可以包括加热一个或多个管的一个或多个电阻加热元件。元件可以例如单独提供或封闭地提供。腔可以填充有例如氩气、氦气、氮气和/或其他非反应性气体。一个或多个加热管可以加热在每个管内流动的热传递气体。在又一实例中，材料块可以包括包含电阻元件的槽或孔(例如，元件可以***开口槽中)。可以提供多个元件(例如，每个元件提供在单独的槽或孔中，或者多个元件提供在相同的槽或孔中)。槽或孔可以穿过或可以不穿过块(例如，可以是或可以不是通孔)。电阻元件可以加热周围材料，该周围材料可以包括热传递气体流过的通道或孔(例如，钻孔的通道或孔)。通道或孔可以穿过块(例如，可以是通孔)。用于通过热传递气体的(例如，钻孔的)通道或孔可以与元件轴向平行或垂直于元件(例如，交叉钻孔)。热传递气体可以经由材料块由元件间接加热。备选地或附加地，材料块可以通过围绕材料块的电阻加热器(例如，图13中的电阻加热器1311)间接加热。

至少在一些配置中，本文所述的与热传导气体的直接加热有关的元件、安装管、外鞘套、筒匣和/或其他焦耳加热组件的任何描述可以同等地应用于(或适于)间接加热热传递气体，反之亦然。例如，间接加热元件可以包括随着热传递气体的温度升高和/或随着热传递气体流过的材料的温度升高(例如，其可对应于热传递气体的温度升高)而减少来自元件的热通量的特征，以及/或者提供热应力释放的特征(例如，元件可以在热传递气体的流动方向上具有逐渐减小的电阻)。多个元件可以并联、多个串联并联、完全串联等地进行配置(例如，取决于电压和/或电流配置)。元件可以是曲折板(例如，配置具有或不具有变化的电阻)。

设置在元件与热传递气体之间的材料可包括本文所述的任何合适的材料，例如石墨、碳化硅和/或钨、钼、铼、氮化硼、镍、铬、铁或其合金。可以使用多于一种材料(例如，多种材料可以用于具有包含元件的多个空间或区域以及/或者包含热传递气体的多个空间或区域的配置中，或者空间或区域之间的给定边界可包括多种材料)。具有包含元件的多个空间或区域以及/或者包含热传递气体的多个空间或区域的配置可以包括合适比例(例如，大小、数目等)的包含元件和热传递气体的相应空间或区域(例如，该比例可以被配置用于实现给定的热传递气体温度、合适的热特性等)。相应空间或区域可以是穿插的，给定类型的空间或区域可以放置在另一类型的空间或区域周围或之间等。

图13示出了又一反应器的一部分的横截面。该反应器可以分成两个部分或区，即热激活区1310和反应器区1313，天然气或其他原料注入在其间的区域中进行。顶部区域1310可以包括热激活区(其中热传递气体被加热)。热激活区可以包含电阻加热器1311。电阻加热器可包含或者可以是一个或多个电阻元件。电阻元件可以加热反应器壁的至少一部分，其然后可加热热传递气体。因此，电阻元件可以间接加热热传递气体。热传递气体(例如，可以加热到约3,000℃)可以与反应性气体(原料)快速混合。如果将反应性气体直接加热到高温，则热传递气体与反应性气体的快速混合可能降低或消除最终产品(例如，炭黑)中可能出现的不均匀性。中间区域1312可以包括喉部。烃可以进入反应器并在注入区1313中与热传递气体混合。注入区1313可以包括或者包围喉部及喉部上游和下游的一些另外的空间。反应器可以包括反应区，该反应区包括反应器中在注入烃原料的点之后的任何区域。

石墨可以用作本文所述的元件以及热激活壁、喉部和注入区域的构造材料。元件可以包含石墨或可以是石墨。元件可以包含或可以是钨、钼、铼、氮化硼、镍、铬、铁或其合金。注入器可以包括或者可以是例如水冷铜、石墨或耐高温腐蚀金属的合金。注入器(例如，石墨)可以通过例如水或非氧化液体(例如，矿物油、乙二醇、丙二醇、合成有机流体例如DOWTHERM^TM等)来冷却。参见例如，共同受让的共同未决的国际专利公开号WO 2015/116800(“PLASMA GAS THROAT ASSEMBLY AND METHOD”)，其通过引用整体并入本文。当在这些温度下处理氢气时，可以特别小心以减少或消除氧气和/或在本文所述的系统(例如，反应器系统)内含有氢气。

本公开内容的系统和方法可以与其他系统和/或方法组合或者由其修改，如以下中描述的化学处理和加热方法、化学处理系统、反应器和等离子体焰炬：美国专利公开号US2015/0210856和国际专利公开号WO 2015/116807(“SYSTEM FOR HIGH TEMPERATURECHEMICAL PROCESSING”)、美国专利公开号US 2015/0211378(“INTEGRATION OF PLASMAAND HYDROGEN PROCESS WITH COMBINED CYCLE POWER PLANT,SIMPLE CYCLE POWER PLANTAND STEAM REFORMERS”)、国际专利公开号WO 2015/116797(“INTEGRATION OF PLASMA ANDHYDROGEN PROCESS WITH COMBINED CYCLE POWER PLANT AND STEAM REFORMERS”)、美国专利公开号US 2015/0210857和国际专利公开号WO 2015/116798(“USE OF FEEDSTOCK INCARBON BLACK PLASMA PROCESS”)、美国专利公开号US 2015/0210858和国际专利公开号WO2015/116800(“PLASMA GAS THROAT ASSEMBLY AND METHOD”)、美国专利公开号US 2015/0218383和国际专利公开号WO 2015/116811(“PLASMA REACTOR”)、美国专利公开号US2015/0223314和国际专利公开号WO 2015/116943(“PLASMA TORCH DESIGN”)、国际专利公开号WO2016/126598(“CARBON BLACK COMBUSTABLE GAS SEPARATION”)、国际专利公开号WO 2016/126599(“CARBON BLACK GENERATING SYSTEM”)、国际专利公开号WO 2016/126600(“REGENERATIVE COOLING METHOD AND APPARATUS”)、美国专利公开号US 2017/0034898和国际专利公开号WO 2017/019683(“DC PLASMA TORCH ELECTRICAL POWER DESIGN METHODAND APPARATUS”)、美国专利公开号US 2017/0037253和国际专利公开号WO 2017/027385(“METHOD OF MAKING CARBON BLACK”)、美国专利公开号US 2017/0058128和国际专利公开号WO 2017/034980(“HIGH TEMPERATURE HEAT INTEGRATION METHOD OF MAKING CARBONBLACK”)、美国专利公开号US 2017/0066923和国际专利公开号WO 2017/044594(“CIRCULARFEW LAYER GRAPHENE”)、美国专利公开号US20170073522和国际专利公开号WO 2017/048621(“CARBON BLACK FROM NATURAL GAS”)、国际专利公开号WO 2017/190045(“SECONDARY HEAT ADDITION TO PARTICLE PRODUCTION PROCESS AND APPARATUS”)、国际专利公开号WO 2017/190015(“TORCH STINGER METHOD AND APPARATUS”)、美国专利号1,339,225(“PROCESS OF MANUFACTURING GASEOUS FUEL”)、美国专利号7,462,343(“MICRO-DOMAIN GRAPHITIC MATERIALS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME”)、美国专利号6,068,827(“DECOMPOSITION OF HYDROCARBON TO CARBON BLACK”)、美国专利号7,452,514(“DEVICE AND METHOD FOR CONVERTING CARBON CONTAINING FEEDSTOCK INTO CARBONCONTAINING MATERIALS,HAVING A DEFINED NANOSTRUCTURE”)、美国专利号2,062,358(“CARBON BLACK MANUFACTURE”)、美国专利号4,199,545(“FLUID-WALL REACTOR FOR HIGHTEMPERATURE CHEMICAL REACTION PROCESSES”)和美国专利号5,206,880(“FURNACEHAVING TUBES FOR CRACKING HYDROCARBONS”)，其各自通过引用整体并入本文。

因此，本发明的范围应包括可落入所附权利要求书范围内的所有修改和变化。考虑到本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施方式对于本领域技术人员而言将会是容易理解的。旨在说明书和实例仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求书指示。