液体金属冷凝物催化的烃热解

本发明是在政府支持下进行的，其奖号为DE-AR0001047，由美国能源部的高级研究项目授予。政府对本发明具有一定权利。

本申请要求在2019年12月6日提交的美国临时专利申请号62/944,513的优先权。

背景技术

本发明涉及氢气(H

美国和更广泛的国际团体持续缺乏可规模化的、无CO

生产无CO

为了以与蒸汽甲烷重整有竞争力的成本生产氢气，甲烷热解方法必须表现出高的反应器产量(或气时空速或GHSV)，这导致较低的资本成本。通常，蒸汽甲烷重整具有约3,000 h

研究人员目前正在开发使用泡罩塔反应器的烃热解方法，其中使甲烷鼓泡通过熔融催化剂，由此使烃在液/气界面处分解(或热解)以生产氢气和固体碳。不幸的是，泡罩塔反应器的产量基本上受到气泡直径(催化表面积)与气泡上升时间(空速)之间的反比关系的限制。基于Upham等人开发的甲烷热解模型，泡罩塔反应器的最大可实现空速为约400 h

发明内容

本申请涉及使用液体金属冷凝的甲烷热解。

本发明的一些方面提供方法，其包括：蒸发催化剂源以生产催化剂气体；冷凝所述催化剂气体以生产包含悬浮在气相中的催化剂液滴的催化剂蒸气；和使所述催化剂蒸气与烃气体接触以催化所述烃气体到氢气和碳的分解反应。

本发明的其它方面提供系统，其包含：催化剂源蒸发器，其经由包含催化剂气体的第一流联接到反应器，使得所述反应器接收来自所述催化剂源蒸发器的所述第一流；烃源，其经由包含烃气体的第二流联接到所述反应器，使得所述反应器接收来自所述烃源的所述第二流；冷却塔，其经由包含氢气、催化剂液体、固体碳、任选的催化剂气体和任选的未反应的烃气体的第三流联接到所述反应器，使得所述冷却塔接收来自所述反应器的所述第三流；并且其中所述冷却塔具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含氢气和任选的催化剂气体的第四流和(b)包含催化剂液体的第五流。

附图说明

包括以下附图以说明实施方案的某些方面，并且不应被视为排他性实施方案。所公开的主题能够在形式和功能上进行相当多的修改、变更、组合和等效，如本领域技术人员将想到的并且受益于本公开的。

图1说明本文所述的烃热解方法的一部分。

图2说明本公开的烃热解方法的非限制性实例。

图3说明本公开的系统的非限制性实例。

图4是在镍-铋催化剂存在下，收集的数据(带点趋势线的圆)和已知的(虚线)分解反应的速率常数作为温度的函数的图。

图5是在镍-铋催化剂或锌催化剂存在下分解反应的速率常数作为温度的函数的图。

具体实施方式

除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。在冲突的情况下，以本文件(包括定义)为准。尽管在本公开的实践或测试中可以使用类似或等效的方法和材料，下面描述优选的方法和材料。本文公开的材料、方法和制品仅是说明性的，而不旨在是限制性的。

单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。

如说明书和权利要求书中所用，术语“包含”可以包括“由……组成”和“基本上由……组成”的实施方案。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有(having)”、“具有(has)”、“可以”、“含有”及其变体旨在为开放式过渡短语，其需要存在所命名的成分或步骤并允许存在其它成分或步骤。然而，这样的描述应当被解释为还将组合物、混合物或方法描述为“由所列举的成分或步骤组成”和“基本上由所列举的成分或步骤组成”，其允许仅存在所命名的成分或步骤，连同可能由其产生的任何杂质，以及排除其它成分或步骤。

除非相反地指出，否则说明书中的数值应当理解为包括当减少至相同数的有效数字时相同的数值和与所述值的差异小于用于确定特定值的常规测量技术类型的实验误差的数值。

本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2-10”的范围包括端点2和10以及所有中间值)。本文公开的范围的端点和任何值不限于精确的范围或值；它们足够不精确以包括接近这些范围和/或值的值。

如本文所用，可以应用近似语言来修饰任何定量表示，所述定量表示可变化而不导致其相关的基本功能的变化。因此，在一些情况下，由例如“约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值可以不限于所指定的精确值。修饰语“约”也应被认为公开了由两个端点的绝对值所限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了范围“2-4”。术语“约”可以指所示数字的正负10%。例如，“约10%”可以指示9%至11%的范围，并且“约1”可以指0.9-1.1。

对于本文中数值范围的叙述，明确地预期具有相同精确度的其间的每个中间数字。例如，对于6-9的范围，除了6和9之外还预期数字7和8，而对于6.0-7.0的范围，明确地预期数字6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9和7.0。

如本文所用，术语“冷凝(condense)”、“冷凝(condensing)”及其语法上的变型是指从气体到液体的相变，但不暗示经历所述相变的材料的百分比。例如，催化剂气体可以冷凝成催化剂蒸气，其包含处于液相的催化剂(例如，作为液滴)并且任选地仍然包括处于气相的催化剂。

如本文所用，术语“催化剂蒸气”是指悬浮在气体中的液体催化剂液滴，其可以包含或可以不包含处于气相的催化剂。当描述与催化剂蒸气反应时，反应可以在处于气相的催化剂和/或处于液相的催化剂的情况下发生。

本公开的方法使用从催化剂气体冷凝的催化剂液滴来催化烃经由热解反应分解成氢气和碳。不受理论的限制，本文提出的方法生产冷凝为包含纳米尺寸催化剂液滴的催化剂蒸气的催化剂气体(例如，金属气体，如锌气体)。由于液滴的小尺寸，催化表面积高。烃气体与催化剂液滴接触，其催化烃分解成氢气和碳。

图1说明本文所述的烃热解方法的一部分。首先，催化剂气体[催化剂(g)]冷凝成催化剂液体[催化剂(l)]的液滴。催化剂气体冷凝为液体是放热的(释放热)，具有负的焓变。如说明的，催化剂液体然后催化烃气体分解以形成固体碳和氢。然而，该说明不排除气相催化剂也催化分解反应。

烃热解的反应热是正的，并因此吸热(吸收热)，具有正的焓变。同样，不受理论限制，认为可以选择催化剂、烃和反应器条件(例如压力和温度)，使得将催化剂气体冷凝为催化剂液体的放热过程提供足够的热以驱动热解反应。例如，锌的冷凝焓(900℃和0.5巴分压)为约-115 kJ/mol能量，而锌催化的甲烷热解的反应热仅为约75 kJ/mol能量。因此，该方法的冷凝部分能够为热解反应提供热，这具有简化反应器热管理和降低反应器成本的潜力，因为另外的反应器热输入显著降低。

此外，不受理论限制，蒸发之后催化剂的冷凝允许催化剂蒸气中的液滴悬浮在气相中，与附近液滴的相互作用最小，类似于雾中的水滴如何悬浮而与附近水滴的聚结最小。相反，其它液滴形成方法(如喷雾)使液滴具有动量，这促进快速聚结成较大的液滴。此外，本公开的方法使用烃气体作为悬浮载体流体，以便使催化剂蒸气以最小至没有会促进催化剂液滴聚结的湍流移动通过反应区。因此，使用本公开的冷凝方法可以实现高密度的催化剂液滴，其与小尺寸的催化剂液滴结合进一步增加催化表面积和总方法产率。

图2说明本公开的烃热解方法100的非限制性实例。蒸发104催化剂源102以生产催化剂气体106。任选地，在蒸发中可以包括对分解反应惰性的载气(例如，氩气、氮气等，及其任何组合)。

适用于本文所述的方法的催化剂优选沸点为约1,500℃或更低(或约500℃至约1,500℃、或约550℃至约1,400℃、或约600℃至约1,200℃)。催化剂的实例包括但不限于金属、盐、离子液体等。金属催化剂的实例包括但不限于铯、硒、铷、钾、镉、钠、锌、钋、碲、镁、镱、锂、锶、铊、钙等及其任何组合。优选的金属催化剂包括但不限于钠、锌、镁及其任何组合。合适的盐催化剂可以是包含(a)碱金属阳离子、碱土金属阳离子、过渡金属阳离子或另一种金属阳离子和(b)阴离子例如硝酸根、柠檬酸根、卤离子、氰离子和氢离子的盐。盐催化剂的具体实例包括但不限于氯化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、氯化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、氯化钾、溴化钾、碘化钾、氟化钾、氯化镁、溴化镁、碘化钙、氯化锌、溴化锌等，及其任何组合。

催化剂气体106的温度高于催化剂的沸点。优选地，催化剂气体106的温度比催化剂的沸点高约5℃至约500℃(或约5℃至约50℃、或约50℃至约100℃、或约100℃至约250℃、或约200℃至约500℃)。

然后，冷凝108催化剂气体106以形成包含催化剂液滴的催化剂蒸气110。通过降低催化剂气体106的温度来实现冷凝，这可以通过多种方法来实现。例如，反应器可以设计成使催化剂气体106通过与催化剂气体106相比足够更冷的反应器的一部分以生产催化剂蒸气110。在另一个实例中，催化剂气体106可以与处于足够低温度下的烃气体112接触114(例如，混合)以促进催化剂气体106的冷凝108。在该实例中，烃气体112可以处于比催化剂的沸点低约5℃至约500℃(或约5℃至约50℃、或约50℃至约100℃、或约100℃至约250℃、或约200℃至约500℃)。

催化剂气体106的压力可以影响催化剂液滴的尺寸和催化剂液滴的密度，其中较高的压力可以导致较高的催化剂液滴密度。催化剂气体106的压力可以是约1巴至约200巴(或约1巴至约25巴、或约10巴至约100巴、或约75巴至约200巴)。

催化剂蒸气110可以包含直径为约5 nm至约10,000 nm (或约5 nm至约150 nm、或约10 nm至约250 nm、或约250 nm至约1,000 nm、或约1,000 nm至约10,000 nm)的催化剂液滴。此外，催化剂蒸气110可以包含催化剂液滴，使得催化剂蒸气110的约60体积%或更少(或约0.1体积%至约60体积%、或约0.1体积%至约5体积%、或约0.1体积%至约10体积%、或约5体积%至约30体积%、或约25体积%至约50体积%)是催化剂液滴(或催化剂液体)。因此，催化剂蒸气110的催化面密度可以高达约30,000 m

具有高催化表面积可以允许更高的气时空速，这可以改进本文所述的方法的商业可行性的潜力。本文所述的方法可以在约1,000 h

催化剂蒸气110与烃气体112反应，使得催化剂(气相和/或液相)催化烃气体112的分解反应116。图2说明在催化剂蒸气110形成期间烃气体112和催化剂(气相和/或液相) 接触。然而，烃气体112可以在反应116之前的任何时间点引入方法中，包括在蒸发时、在冷凝期间、在冷凝之后及其任何组合。例如，烃气体112可以在多个位置引入到方法中。

烃气体112可以包括C1至C20烷烃(直链、支链和/或环状)、C1至C20烯烃(直链、支链和/或环状)、C1至C20炔烃(直链、支链和/或环状)、C6至C20芳烃及其任何组合。例如，烃气体可以包含甲烷、乙烷和/或丙烷。适用于烃气体112的烃源的实例包括但不限于天然气、液化石油气、石脑油、柴油、轻质原油、重质原油、油砂、页岩油、木材、煤、生物质废物、有机废物、其任何馏分及其任何组合。

通常，催化的分解反应116在几乎不存在或不存在反应性含氧化合物的情况下发生，以便使二氧化碳的生产最小化。例如，催化剂(气相和/或液相)所暴露于的气相优选具有小于约1体积% (或0体积%至约1体积%、或约0.01体积%至约0.1体积%)的在分解反应中具有反应性以生产二氧化碳的累积的含氧化合物。这样的含氧化合物包括但不限于氧(O

进一步冷凝包含氢气、催化剂液滴、任选的催化剂气体和碳的催化剂蒸气118，以从包含碳和催化剂液体的固/液混合物124中分离120气体组分122 (例如氢气、任选的未反应的烃气体和任选的催化剂气体)。

气体组分122中的氢气可以例如用冷凝器和/或其它分离器与其它组分进一步分离。

然后，固体碳128可以通过已知的方法从混合物124分离，包括机械分离(例如，过滤、重力、旋风分离(cyclonic)等)和/或热分离(例如，经由催化剂的蒸发)。例如，高蒸气压催化剂(如锌)使得从固体碳蒸发催化剂的感应加热方法更有效。此外，这样的方法将热加入到催化剂，如果催化剂再循环回到催化剂源102，这减少下游蒸发所需的另外的热。

然后，催化剂液体130可以再循环132回到催化剂源102。在再循环132程序之前的分离126的替代方案中，混合物124可以再循环134到催化剂源102，并且碳138可以从催化剂源102中分离136。

优选地，选择催化剂使得(a)碳和催化剂不反应或形成合金和(b)碳不溶解于催化剂液体中，这允许碳自然地处于固相(例如，作为矿渣、碳纤维、石墨烯、金刚石、玻璃碳、高纯度石墨、碳纳米管、炭黑、焦炭、活性炭等及其任何组合)，其可以与液体形式的催化剂分离。可以通过过滤、重力分离、机械去除漂浮固体碳、旋风分离等及其任何组合实现碳128、138从混合物124或催化剂源102的分离。

图3说明本公开的非限制性实例系统200。

如本文所用，当描述经由流联接的系统的部件时，联接是指流体和/或固体能够从一个部件行进或输送到另一个部件或在部件之间行进或输送。当穿越联接时，流体和/或固体可以行进通过硬件，如管线、管道、泵、输送机、螺旋钻、挤出机、连接器、热交换器、阀、质量流量控制器等，其确保在操作系统时的适当操作和安全措施。虽然使用单个流来描述联接，流可以物理地实现为多个管线、管道等，并且包括沿着所述流的另外的硬件。此外，如本领域技术人员将显而易见的，在该非限制性实例中说明的系统200可以包括另外的部件，如压缩机、膜、阀、流量计、热交换器、捕集器等，以用于本文所述的方法的适当和安全的操作。

系统200包括经由流204联接到反应器206的催化剂源蒸发器202。催化剂源蒸发器202蒸发其中的催化剂源以生产催化剂气体，该催化剂气体经由流204输送到反应器206。任选地，对分解反应惰性的载气(例如，氩气、氮气等及其任何组合)可以包括在流204中。

系统200还包括烃源208，其经由流210联接到反应器206。如说明的，流210通过冷却塔212，其加热流210中的烃。烃源208可以是管道、罐、卡车罐、蒸馏塔等。当将来自烃源208的烃引入反应器206时，烃应为烃气体。

如说明的，将烃气体引入催化剂气体下游的反应器206。然而，在替代实施方案中，可以在催化剂气体的上游引入或与催化剂气体平行引入烃气体。

如在图2中所述，在反应器内，催化剂气体变成催化剂蒸气并与烃气体反应。烃气体应以减轻湍流或涡流的形成的方式引入反应器，所述湍流或涡流将促进催化剂蒸气中的催化剂液滴的聚结。

烃气体与催化剂(气相和/或液相)反应以生产氢气和固体碳。因此，来自反应器206的流出物流214包含氢气、催化剂(气相和/或液相)和碳固体，并且可以进一步包含未反应的烃气体和/或反应副产物和/或载气。流214将反应器流体地联接到冷却塔212。在冷却塔中，催化剂冷凝成液体，以便将催化剂与流214的其它气相组分(氢气、未反应的烃气体、反应副产物和/或载气)分离。然而，一些催化剂可能保持气体形式。冷却塔212底部的催化剂液体和固体碳池以及气相组分经由流216离开塔212。流216将冷却塔212联接到分离器218。分离器218将氢气与其它组分分离以生产氢气流222和包含未反应烃、反应副产物(当存在时)、载气(当存在时)和/或催化剂气体(当存在时)的流220。在分离器218中，催化剂气体(当存在时)也可以冷凝成催化剂液体，这将生产可以再循环回到催化剂源蒸发器202的另一个流(未说明)或其中催化剂液体存在的另一个流或组分。分离器218可以经由冷凝、过滤和/或其它合适的原理操作。

如说明的，流220将分离器218联接到反应器206，以使流220的组分进一步反应。然而，在本文所述的系统和方法中不需要再循环。

可以根据需要压缩、储存和/或输送包含氢气的流222。流222可以包含80体积%或更多(或80体积%至100体积%、或90体积%至100体积%、或95体积%至99.5体积%)的氢气。

也分离汇集在冷却塔212底部的催化剂液体和固体碳。用于分离催化剂液体和固体碳的方法和/或系统取决于催化剂、催化剂与碳的溶解度和/或合金化、催化剂液体和固体碳的相对密度以及其它因素。在说明的系统200中，固体碳不溶于催化剂液体，并且固体碳具有比催化剂液体更低的密度。因此，固体碳漂浮在汇集的催化剂液体和固体碳中。因此，汇集的材料的顶部部分经由流226从塔212中提取。流226将冷却塔212流体地联接到分离器228。分离器228可以经由蒸发、过滤和/或其它合适的原理操作，以将催化剂与固体碳分离，以生产包含固体碳的流230和包含催化剂的流232。

如说明的，流232将分离器228联接到催化剂源蒸发器202。然而，在本文所述的系统和方法中不需要再循环。流232可以包含80体积%或更多(或80体积%至100体积%、或90体积%至100体积%、或95体积%至99.5体积%)的催化剂液体。

包含固体碳的流230可以根据需要储存和/或输送。流230可以包含80体积%或更多(或80体积%至100体积%、或90体积%至100体积%、或95体积%至99.5体积%)的固体碳。

回到冷却塔212，汇集的材料的底部是具有很少至没有固体碳的催化剂液体，并因此可以经由流224再循环回到催化剂源蒸发器202。流224将冷却塔212联接到催化剂源蒸发器202。同样，在本文所述的系统和方法中，不需要再循环，但优选再循环。流224可以包含80体积%或更多(或80体积%至100体积%、或90体积%至100体积%、或95体积%至99.5体积%)的催化剂液体。

条款1. 方法，其包括：蒸发催化剂源以生产催化剂气体；冷凝所述催化剂气体以生产包含悬浮在气相中的催化剂液滴的催化剂蒸气；和使所述催化剂蒸气与烃气体接触以催化所述烃气体到氢气和碳的分解反应。

条款2. 条款1所述的方法，进一步包括：收集所述催化剂液滴以生产碳和催化剂液体的混合物；和从所述催化剂液体中分离碳。

条款3. 条款2所述的方法，其中从所述催化剂液体中分离碳包括：从碳蒸发所述催化剂液体。

条款4. 条款2所述的方法，进一步包括：将所述催化剂液体再循环到所述催化剂源用于蒸发。

条款5. 条款1或条款2或条款3或条款4所述的方法，进一步包括：冷凝所述催化剂液滴以生产碳和催化剂液体的混合物；将所述混合物再循环到所述催化剂源用于蒸发；和从所述催化剂源分离碳。

条款6. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5所述的方法，其中在冷凝之前所述催化剂气体处于比所述催化剂的沸点高约5℃至约500℃的温度下。

条款7. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6所述的方法，其中冷凝所述催化剂气体包括：将所述催化剂气体暴露于所述烃气体，其中所述烃气体处于低于所述催化剂的沸点的温度。

条款8. 条款7所述的方法，其中所述烃气体的温度比所述催化剂的沸点低约5℃至约500℃。

条款9. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8所述的方法，其中所述催化剂是金属。

条款10. 条款9所述的方法，其中所述金属的沸点为1,500℃或更低。

条款11. 条款9所述的方法，其中所述金属包含铯、硒、铷、钾、镉、钠、锌、钋、碲、镁、镱、锂、锶、铊、钙及其任何组合。

条款12. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8所述的方法，其中所述催化剂是盐。

条款13. 条款12所述的方法，其中所述盐包含(a)碱金属阳离子、碱土金属阳离子、过渡金属阳离子或另一种金属阳离子和(b)选自硝酸根、柠檬酸根、卤离子、氰离子和氢离子的阴离子的组合。

条款14. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8所述的方法，其中所述催化剂是离子液体。

条款15. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14所述的方法，其中所述催化剂液滴的直径为约5 nm至约10,000 nm。

条款16. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15所述的方法，其中所述催化剂液滴的直径为约5 nm至约150 nm。

条款17. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16所述的方法，其中所述催化剂蒸气包含催化剂液滴，使得约60体积%或更少的催化剂蒸气是催化剂液滴。

条款18. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16或条款17所述的方法，其中所述催化剂蒸气的催化面密度为约1,000 m

条款19. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16或条款17或条款18所述的方法，其在约1,000 h

条款20. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16或条款17或条款18或条款19所述的方法，其中所述烃气体具有选自以下的源：天然气、液化石油气、石脑油、柴油、轻质原油、重质原油、油砂、页岩油、木材、煤、生物质废物和有机废物、其任何馏分及其任何组合。

条款21. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16或条款17或条款18或条款19或条款20所述的方法，其中所述烃气体包含选自以下的一种或多种：C1至C20烷烃、C1至C20烯烃、C1至C20炔烃和C6至C20芳烃。

条款22. 条款1或条款2或条款3或条款4或条款5或条款6或条款7或条款8或条款9或条款10或条款11或条款12或条款13或条款14或条款15或条款16或条款17或条款18或条款19或条款20或条款21所述的方法，其中所述气相包含0体积%至约1体积%的在分解反应中具有反应性以生产二氧化碳的含氧化合物。

条款23. 系统，其包含：催化剂源蒸发器，其经由包含催化剂气体的第一流联接到反应器，使得所述反应器接收来自所述催化剂源蒸发器的所述第一流；烃源，其经由包含烃气体的第二流联接到所述反应器，使得所述反应器接收来自所述烃源的所述第二流；冷却塔，其经由包含氢气、催化剂液体、固体碳、任选的催化剂气体和任选的未反应的烃气体的第三流联接到所述反应器，使得所述冷却塔接收来自所述反应器的所述第三流；和其中所述冷却塔具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含氢气和任选的催化剂气体的第四流和(b)包含催化剂液体的第五流。

条款24. 条款23所述的系统，进一步包含：第一分离器，其经由所述第四流联接到所述冷却塔，使得所述第一分离器接收来自所述冷却塔的所述第四流；其中所述第一分离器具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含80体积%或更多氢气的第六流和(b)包含所述未反应的烃气体的第七流；并且其中所述第七流将所述第一分离器联接到所述反应器，使得所述反应器接收来自所述第一分离器的所述第七流。

条款25. 条款23或条款24所述的系统，其中所述第五流将所述冷却塔联接到所述催化剂源蒸发器，使得所述催化剂源蒸发器接收来自所述冷却塔的所述第五流。

条款26. 条款23或条款24或条款25所述的系统，进一步包含：第二分离器，其经由包含所述催化剂液体和所述固体碳的第八流联接到所述冷却塔，使得所述第二分离器接收来自所述冷却塔的所述第八流；其中所述第二分离器具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含80体积%或更多的所述固体碳的第九流和(b)包含80体积%或更多的所述催化剂液体的第十流；并且其中所述第七流将所述第一分离器联接到所述反应器，使得所述反应器接收来自所述第一分离器的所述第七流。

条款27. 条款26所述的系统，其中所述第二分离器引起所述催化剂液体蒸发。

条款28. 条款23或条款24或条款25或条款26或条款27所述的系统，其中所述第二流经由热交换通过所述冷却塔。

条款29. 系统，其包含：催化剂源蒸发器，其向反应器提供包含催化剂气体的第一流；烃源，其向所述反应器提供包含烃气体的第二流；冷却塔，其接收来自所述反应器的包含氢气、催化剂液体、固体碳、任选的催化剂气体和任选的未反应的烃气体的第三流；并且其中所述冷却塔具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含氢气和任选的催化剂气体的第四流和(b)包含催化剂液体的第五流。

条款30. 条款29所述的系统，进一步包含：第一分离器，其接收来自所述冷却塔的所述第四流；其中所述第一分离器具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含80体积%或更多氢气的第六流和(b)包含所述未反应的烃气体的第七流；并且其中所述反应器接收来自所述第一分离器的所述第七流。

条款31. 条款29或条款30所述的系统，其中所述催化剂源蒸发器接收来自所述冷却塔的所述第五流。

条款32. 条款29或条款30或条款31所述的系统，进一步包含：第二分离器，其接收来自所述冷却塔的所述第八流；其中所述第二分离器具有流出物流，所述流出物流包括(a)包含80体积%或更多的所述固体碳的第九流和(b)包含80体积%或更多的所述催化剂液体的第十流；并且其中所述反应器接收来自所述第一分离器的所述第七流。

条款33. 条款32所述的系统，其中所述第二分离器引起所述催化剂液体蒸发。

条款34. 条款29或条款30或条款31或条款32或条款33所述的系统，其中所述第二流经由热交换通过所述冷却塔。

为了促进对本发明的实施方案的更好理解，给出了优选或代表性实施方案的以下实施例。以下实施例决不应被理解为限制或限定本发明的范围。

实施例

使用泡罩塔装置估计液体金属催化剂对甲烷分解成氢气和固体碳的催化活性。甲烷气体鼓泡通过熔融金属催化剂。基于气泡速率估计气泡尺寸，其中在低流速下使用转子流量计可以观察到单个气泡形成。然后基于气泡尺寸和气泡直径与气泡速度之间的已知关系来估计气泡上升时间。然后使用气泡尺寸估计来获得催化表面积和停留时间，然后使用它们来估计液体金属催化剂的反应速率(或催化活性)。

首先，使用具有已知催化活性的镍-铋催化剂测试上述方法。图4是在镍-铋催化剂存在下，收集的数据(带点趋势线的圆)和已知的(虚线)分解反应的速率常数作为温度的函数的图。如说明的，速率常数的一致性非常接近。因此，然后将该方法应用于液体锌。

图5是在镍-铋催化剂或锌催化剂存在下分解反应的速率常数作为温度的函数的图。这说明锌在较低温度下具有与镍-铋催化剂类似的催化活性。图中进一步说明使锌适于工业规模实施所需的最小活性。如说明的，锌超过所述要求，这说明锌是用于本文所述的方法和系统的合适的催化剂。

因此，本发明非常适于获得所提及的结果和优点以及在其中固有的那些。以上公开的特定实施方案仅为说明性的，因为本发明可以以不同但等效的方式修改和实施，这对于受益于本文的教导的本领域技术人员来说是显而易见的。此外，除了所附权利要求中所描述的之外，不旨在对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此，显然可以改变、组合或修改以上公开的特定说明性实施方案，并且所有这样的变化均认为在本发明的范围和精神内。在缺少本文未具体公开的任何要素和/或本文公开的任何任选的要素的情况下，可以适当地实施本文说明性公开的发明。虽然组合物和方法是按照“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤来描述的，组合物和方法也可以“基本上由”或“由”各种组分和步骤“组成”。以上公开的所有数字和范围可以改变一定的量。无论何时公开了具有下限和上限的数值范围，都具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。特别地，本文公开的每个数值范围(形式为“约a至约b”，或等效地“约a至b”，或等效地“约a-b”)应理解为阐述包含在较宽数值范围内的每个数值和范围。而且，权利要求中的术语具有它们的普通的、通常的含义，除非专利权人另外明确地和清楚地定义。此外，如权利要求中所使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义为是指一个或多于一个其引入的要素。