專利名稱：帶有陶瓷膜的合成氣體反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制備產品氣體，如制備合成氣或不飽和烴的方法，該方法是利用放熱的部分氧化反應和吸熱的蒸汽轉化反應的結合。更具體的是，經氧選擇性離子遷移膜組件遷移的方法，獲得用于放熱反應的氧，且放熱反應產生的熱供給吸熱反應。
天然氣和甲烷，天然氣的主要成分難于經濟地輸送，且不容易轉化為更容易包裝和運輸的液體燃料，如甲醇、甲醛和烯烴。為便于運輸，將甲烷典型地轉化為合成氣(syngas)，它是甲烷轉化為液體燃料的一種中間體。合成氣是氫和一氧化碳的混合物，H2/CO的摩爾比為約0.6-約6。
將甲烷轉化為合成氣的一種方法是蒸汽轉化。甲烷同蒸汽反應，并吸熱地轉化為氫和一氧化碳的混合物。維持該吸熱反應的熱量是由外部的燃料燃燒來提供。這種方式的蒸汽轉化反應是(1)在部分氧化反應中，甲烷與氧起反應，并按放熱反應轉化為合成氣。這種方式的部分氧化反應是(2)----CH4+12O2→2H2+CO]]>維持蒸汽轉化反應和部分氧化反應都是昂貴的。在蒸汽轉化中，為提供延續吸熱反應的熱量，需要大量燃料。在部分氧化反應中，為提供驅動反應所需的氧，必須耗費大量的能量和投資。
麥扎奈克(Mazanec)等人的美國專利5,306,411，本文將其全部援引作為參考，它公開了用部分氧化和蒸汽轉化法生產合成氣，其中獲得氧的方法包括經氧選擇性離子遷移膜組件遷移，且兩種反應都在陽極或膜的滲透側進行。該膜組件傳遞氧離子具有無限選擇性，它置于典型為空氣的含氧給料流體，和典型含甲烷的耗氧產物或清洗流體之間。
“氧選擇性”意味氧離子穿過膜遷移的輸送優于其它元素及其離子。膜組件由無機氧化物，典型由鈣或釔穩定的氧化鋯，或具有氟石或鈣鈦礦結構的類似氧化物制成。
提高溫度時，通常超過400℃，膜組件含有可流通氧離子的空穴，它提供使氧離子穿過膜組件選擇性遷移的傳導位置。穿過膜組件的遷移，靠橫跨膜的氧分壓(PO2)比推動O--離子由高PO2側流向低PO2側。
O2到O--的離子化作用在膜組件陰極側進行，然后離子遷移穿過膜組件。O--離子然后結合成氧分子，或與燃料反應同時釋放e-電子。對于只呈現離子傳導性的膜組件，外部電極置于膜組件表面，電流經外部電路返回。如果膜具有離子的以及電子的傳導性，電子經內部遷移到陰極側，于是完成一個電路且不需要外部電極。
麥扎奈克等人的‘411專利，公開了使含氧氣體與氧選擇性遷移膜組件的陰極側接觸。工藝氣流如甲烷和蒸汽，沿著膜組件的陽極側流動。在部分氧化反應中，遷移的氧與甲烷起放熱反應，生成一氧化碳和氫。同時，部分氧化反應釋放的熱量，能使甲烷和蒸汽進行吸熱反應產生另外的氫和一氧化碳。為促進該反應，典型提供一種轉化催化劑。然后采用費-托法或在隨后的處理中采用其它化合物，可以使合成氣轉化成甲醇或其它液體燃料。
麥扎奈克等人的‘411專利同時公開了這一事實，由放熱的部分氧化反應產生的熱量，可以用于維持離子遷移膜組件的溫度，而不采取措施從反應器中除去多余的熱量。另外，雖然部分氧化和蒸汽轉化反應最好在高壓條件下進行，但麥扎奈克等人沒公開支持高壓的反應器設計或密封結構。
格茲曼(Gottzmann)等人1997年4月29日提出的，題目為“固體電解離子傳導器反應器設計”，系列號為08/848,204共同擁有美國專利申請，本文全部援引作為參考，它公開了將放熱部分氧化反應產生的熱量，在含氧給料氣體送往氧選擇性離子遷移膜組件陰極側之前，用于加熱該給料氣體。該08/848,204號申請也公開了，采用熱傳導屏蔽管圍繞膜組件，以增強熱傳導同時保持氣體的隔離。1995年12月5日提出的，美國申請系列號08/567,699，歐洲專利公開號778,069，題為“固體電解膜氣體分離的反應性清洗”一文，公開了反應性清洗裝置，本文也援引作為參考。兩個申請與本申請為共同擁有。
魯爾(Ruhl)等人的美國專利5,565,009和5,567,398，本文將其全部援引作為參考，它公開了制造合成氣的方法，包括在置于管殼反應器殼側的催化劑床中進行甲烷的蒸汽轉化。提供延續轉化反應所需熱量的方法，包括在管內燃燒燃料，其中燃料和氧給料(空氣)分別加熱，且他們達到其自動燃燒溫度后才結合。魯爾等人公開的反應器流路設計成這樣一種方式，燃燒產物以及吸熱反應產物在出爐之前冷卻。公開的設計允許在燃燒管與管板連接的地方，采用較低溫度密封件。
然而，對利用氧選擇性離子遷移膜組件制備合成氣體和不飽和烴的反應器，尚需要求操作可以在壓力大于150磅/平方英寸表壓，和溫度800℃-1100℃條件下進行，并需要有措施，補償因加熱，和因操作和過渡周期膜組件攝取和釋放氧，所引起的膜組件尺寸變化。此外，反應器應保持膜組件溫度在規定的范圍之內，方法是仔細平衡反應和其它冷源或熱源的熱量，以及將放熱反應的熱量有效傳遞給吸熱反應和其它冷源。也應當增加安全性，方法是減少易燃工藝氣體或產品氣體高壓泄漏進入含氧流體的危險。
本發明的目的因此是，提供一種制備合成氣的方法，方法是既利用放熱反應也利用吸熱反應，其中反應或是平衡的或適合產生少量余熱。
本發明的另一個目的是，控制放熱反應和吸熱反應，方法包括控制向各反應提供氣體的流速、組成和/或壓力。這些氣體包括含氧給料氣體、燃料氣體和蒸汽或二氧化碳。優選要達到進一步控制放熱反應，方法包括控制局部催化活性，以及局部控制工藝氣體組成。
本發明還有另一個目的是，可以單獨控制放熱和吸熱反應，方法包括選擇性引進熱傳導屏蔽管，它使反應隔離，同時允許反應器內反應之間的熱量有效傳遞。
本發明還有另一個目的是，降低密封件所承受溫度，以及降低管與隔離反應器內部含燃料空間的管板密封件的壓差。這在一個實施方案中實現，方法包括采用兩級密封，并在兩級密封之間配置一種壓力略高于反應側壓力的緩沖氣體，如蒸汽。于是，任何經第一級密封的泄漏就是進入反應側的蒸汽，而經第二級密封的泄漏就是進入含氧氣體的蒸汽。
一方面，本發明包括在反應器中制備產品氣體的方法，該反應器裝有至少一個氧選擇性離子遷移膜組件。氧選擇性離子遷移膜組件具有陰極側和陽極側。該方法包括如下步驟(1)使含氧氣體按起始方向沿陰極側流動，并經氧選擇性離子遷移膜組件使滲透氧部分遷移到陽極側；(2)使第一工藝氣體，也使第二工藝氣體與含氧氣體隔離，因此，至少第一工藝氣體沿陽極側流動，且第一工藝氣體既可以同氧起放熱反應，也可以同第二工藝氣體起吸熱反應；(3)使氧部分同第一工藝氣體起放熱反應，和使第一工藝氣體同第二工藝氣體起吸熱反應；和(4)對放熱反應、吸熱反應和反應器內部熱傳導中的至少一個進行控制，以使氧選擇性離子遷移膜溫度維持在規定的范圍內。
在第一方面的優選實施方案中，放熱反應是部分氧化反應，吸熱反應是蒸汽轉化反應。含氧氣體是空氣，第一工藝氣體是輕烴如甲烷，或輕烴、氫和一氧化碳的混合物，而第二種工藝氣體或是蒸汽，或是蒸汽和二氧化碳的混合物。在放熱和吸熱反應之前，第一工藝氣體和第二種工藝氣體合并形成氣體混合物。
在另一個優選實施方案中，膜組件至少部分陽極側涂覆催化劑層，以在陽極促進氧和燃料氣體之間的氧化反應。催化劑床沿著氧選擇性離子遷移膜的至少部分陽極側放置。要選擇該催化劑能夠促進蒸汽、二氧化碳和燃料氣體之間的吸熱反應。在另一個優選實施方案中，用一種熱傳導的不透氣的部件使第二工藝氣體與第一工藝氣體分開。第一工藝氣體流過氧化通道，并與滲透氧起放熱反應，而第二工藝氣體和另外的第一工藝氣體流過轉化通道。
轉化通道優選裝填能促進吸熱反應的催化劑。催化劑床的局部活性，要選擇性地適合于，在床邊緣附近產生放熱和吸熱反應溫度間的正平衡，而在床中心產生中性平衡。更優選，催化劑的活性朝著床的中部和出口端以降低的速度逐級增加。
本發明第二個方面，利用這種方法在反應器內制備氫和一氧化碳的混合物(合成氣)，反應器內裝有至少一個氧選擇性離子遷移膜組件。該氧選擇性離子遷移膜組件具有陰極側和陽極側。在本發明的第二方面中，該方法包括如下步驟(1)使空氣按起始方向沿陰極側流動，并使滲透氧部分經氧選擇性離子遷移膜組件遷移到陽極側；(2)使輕烴如甲烷和蒸汽的氣態混合物沿陽極流動；(3)使第一部分輕烴同滲透氧起放熱反應，同時使第二部分輕烴同蒸汽起吸熱反應；和(4)對放熱反應、吸熱反應和反應器內部熱傳導中的至少一個進行控制，以使氧選擇性離子遷移膜溫度維持在規定的范圍內。
在該方法優選實施方案中，蒸汽向反應器輸送壓力比甲烷向反應器輸送壓力高。通過蒸汽和甲烷進口的適當定位，蒸汽起緩沖作用，防止易燃甲烷從反應器泄漏并進入反應器內含氧空間。典型地，蒸汽向反應器輸送壓力比甲烷向反應器輸送壓力大1-20磅/平方英寸表壓。
本發明的第三方面，是提供一種反應器，它有一個限定氣密腔的空心殼體。第一個管板放在氣密腔內，并限定第一室和第二室。在氣密腔內有至少一個反應管。反應管的第一部分與第一管板是固定連接且基本上是氣密封接，其開口通向第一室，其余部分軸向上無束縛，且氧選擇性離子遷移膜置于反應管的第一端和第二端之間。
此外，反應器包括第一工藝氣體進口，用于將第一工藝氣體以第一壓力送往氣密腔，第二工藝氣體進口用于將第二工藝氣體以第二壓力送往氣密腔，空氣進口用于將含氧空氣以第三壓力送往氣密腔，而多個出口用于從氣密腔排出產品氣體和反應的氣體副產物。
在一優選實施方案中，反應器的反應區有效地將氧從其內側陰極表面選擇性遷移到其外側陽極表面，且氧化增強催化劑選擇性置于外側表面，而轉化催化劑置于外表面附近。反應器包括至少一個連接反應管的滑動密封件。反應管的第二端同一個浮動管板相連接，浮動管板是內部集流腔的一部分，內部集流腔由軟管或由填密槽型密封件與外殼連接。此外，各個管由短的軟管與浮動管板連接。
在另一個優選實施方案中，反應管的第一端在靠近第一管板處是敞開的，而第二端是閉合的。給料管在反應管內由敞開端延伸到與閉合端有一間隔距離，由此，給料管外表面和反應管內表面限定了第一個環隙。典型地，第一環隙其寬度小于給料管內徑的一半。
在另一個優選實施方案中，熱傳導屏蔽管置于反應管外表面附近，而屏蔽管內表面和反應管外表面聯合限定了第二個環隙。熱傳導屏蔽與反應區聯合限定了氧化通道，而轉化通道置于熱傳導屏蔽的對面。該轉化通道可以用有效促進吸熱蒸汽轉化反應的催化劑充填。
在另一個變換實施方案中，反應器包括第二個反應管，它與第一個反應管呈基本同軸平行延伸穿過氣密腔。此第二反應管其第一端也連接到第一個管板，并與外殼相對固定，其對面第二端與外殼相對可移動，而其第二反應區處于第一和第二端之間。第二反應管第一端是敞開的，對面的第二端是閉合的。第二給料管外表面和反應管內表面限定了第三個環隙。
在優選實施方案中，第一反應管包括氧選擇性離子遷移膜，它將外陰極側氧有效地遷移到內陽極側，而第二反應管裝有轉化催化劑。在另一個優選實施方案中，第二工藝氣體進口處于第一管板和第一工藝氣體進口之間，以大于第一壓力的第二壓力用于輸送選自包括二氧化碳、蒸汽及其混合物的第二工藝氣體到氣密腔。限流器可以置于第二工藝氣體進口和第一工藝氣體進口之間。
本發明的其它目的、特征和優點，將由以下優選實施方案和
呈現給本領域技術人員，其中圖1描繪根據本發明第一個實施方案反應器的截面圖；圖2描繪本發明反應器所采用復合反應管的截面圖；圖3描繪本發明反應器所采用滑動密封界面的截面圖；圖5描繪根據本發明第二個實施方案反應器的截面圖；圖6描繪根據本發明第三個實施方案反應器的截面圖；圖7-10示意描繪對圖6反應器有用的不同氣體流型圖；圖11描繪根據本發明第四個實施方案反應器的截面圖；圖12描繪根據本發明第五個實施方案反應器的截面圖；圖13圖解描述沿圖1所描繪反應器陽極側長度，工藝氣體和產物氣體的預期組成；和圖14圖解描述沿圖1所描繪反應器反應管長度，預期的溫度隨位置的變化。
可以實現該發明的方法包括，提供一種氧選擇性離子遷移膜組件，使氧從含氧氣體通過膜組件遷移。在放熱的部分氧化反應中，氧同第一工藝氣體起放熱反應。放熱反應產生的熱量供給吸熱反應，如蒸汽轉化反應。
在優選實施方案中，工藝氣體是天然氣、甲烷或類似輕烴，或輕烴、氫和一氧化碳的混合物，而部分氧化反應和蒸汽轉化反應兩者都產生合成氣。使放熱反應和吸熱反應或者呈平衡，或者調節成略有余熱。為減輕反應器密封件的密封負荷，將一種相對低溫的緩沖氣體優選置于反應器密封件和工藝氣體及產物氣體之間。這種緩沖氣體是反應的相對非危險成分，如蒸汽和二氧化碳。
圖1描繪了根據本發明第一個實施方案用于制備產品氣體的反應器10的截面圖。雖然典型產品氣體是合成氣，下述方法和反應器也可以制備其它產品氣體，如不飽和烴。本發明同樣適用于任何其它過程，這種過程包括需氧的放熱氧化反應和吸熱反應，如甲烷和其它輕烴氧化脫氫變成不飽和烴。
雖然反應器10被描繪成管殼型反應器，本領域已知的其它反應器也適合于本發明方法。反應器10有一圓筒形殼體12，殼體12由絕緣材料12a與反應器內部高溫進行熱隔離，因此，它可以由普通結構材料，如鋼和不銹鋼構成。第一個端帽或頭14和第二個端帽或頭16，與殼體12氣密密封，以限定一個中空腔，且優選也由絕緣材料14a和16a進行熱隔離。第一個管板18置于氣密腔內，并限定第一室19和第二室20。
第二個管板21可以置于氣密腔的第二端，以限定第三室22a。第一個管板18和第二個管板21都與反應器10連接，方法包括如焊接到殼體12、頭14和16，或擰到法蘭23上。
第一個限流管板或折流板24與反應器固定連接，連接方法如焊接。第一個限流管板24置于第一管板18和第一工藝進口26之間。
浮動管板28置于第二管板21的上方空間22a內，并帶有與其相連的頭或帽80，構成與含氧氣體進口30相連的集流腔空間22。借助使頭14與頭80密封內接的伸縮軟管附件32，浮動管板28對反應器殼體12可相對移動。此外，在連接到頭80的進口管線和進口30之間，可以采用填密槽型滑動密封，方法類似于下述圖3中管34對管板21和套管52的滑動密封。
至少一根反應管34軸向延伸通過第二室20。反應管34的第一端36固定連接并氣密密封到第一管板18。結果，第二室20和第一室19之間的氣流只通過反應管34的孔膛。
該反應管對面第二端37軸向上是無限制的。第二端37可以自由浮動，如圖5描繪最好的那樣，或如圖1連接和密封到浮動管板28。任選地，可以采用相當短的軟管將第二端37連接到管板28，以便允許如魯爾(Ruhl)等人美國專利5,567,398中圖1A所示單個管膨脹的微小差別。可伸縮軟管32與浮動管板28和頭80是整體的，構成一個集流腔，將含氧氣體，如空氣、純氧或任何其它含有多余1％(體積)氧的氣體流體，導向多個反應管34。
反應管34還包括至少第一熱傳導區39，優選也包括第二熱傳導區41。反應管34還包括氧選擇性離子遷移膜組件40。氧選擇性離子遷移膜組件40，可或者以固態混合氧化物致密壁或二相傳導器構成，或者優選以支撐在多孔基質上的固態混合氧化物薄膜或二相傳導器構成。
優選地，膜片只跨越反應區和小部分熱傳導區，多孔載體的剩余長度由金屬不透氣密封層如鎳覆蓋。多孔基質優選由高溫含鎳金屬合金，如因康鎳合金200(Inconel 200)或海納合金230(Haynes alloy230)，或較高強度陶瓷材料，如礬土、鈰土或其混合物制成，其薄膜和多孔基質間的中間多孔層彌補基質和膜之間化學和機械不相容性。例如，索羅古德(Thologood)等人美國專利5,240,480，公開了在多孔載體上的中間多孔過渡層上采用致密混合傳導層。優選地，致密膜是在膜片的陰極一側。
因為，薄的膜片允許較高氧通量，薄的膜片對瞬間疊加的瞬間應力不敏感，因此管子具有較高的強度，以及復合管比致密管使用較少的覆蓋膜材料，所以優選采用復合管。因多孔載體對氣體傳輸的擴散阻力，會增加膜載體界面上的氧分壓，反應側多孔載體也減輕陽極側低氧分壓造成的穩定性問題。
氧選擇性離子遷移膜組件具有5000微米以下的公稱厚度，且優選小于1000微米厚，用于綜合實施方案的小于100微米。當保持離子遷移膜表面化學電位差，該電位差是因保持穿過離子遷移膜的正比例氧分壓造成的時，在溫度為450℃-約1200℃氧分壓占優勢的條件下，膜組件具有遷移氧離子和電子的能力。優選達到該正比例的方法是，使遷移的氧同耗氧工藝氣體反應。氧離子傳導率典型為0.01-100S/CM，其中S(西門子)是倒歐姆(1/Ω)。
用作離子遷移膜的適當材料包括，混合導體鈣鈦礦和二相金屬-金屬氧化物組合物，如美國專利5,702,959(麥扎奈克等人)、No.5,712,220(卡羅拉(Carolan)等人)和5,733,435(布拉薩得(Plasad)等人)所公開的，本文將其全部援引作為參考。既然氧選擇性離子遷移膜陽極側的反應環境，典型創造了非常低的氧分壓，那么可以優選在引用專利中所列舉的含鉻鈣鈦礦，因為它們在低氧分壓環境中傾向穩定。含鉻鈣鈦礦在非常低氧分壓條件下典型不分解。
任選地，一種可能由同樣鈣鈦礦材料制作的多孔催化劑薄層，可以添加到氧遷移膜組件的一側或兩側，以增強氧的表面交換和表面上的化學反應。此外，氧選擇性離子遷移組件表面層，可以用例如鈷摻雜，以增強表面交換動力學。
反應管34的第一端36固定連接到第一管板18。與密封區管材相容且提供牢固、氣密密封的任何裝配方法都可以采用。在如圖2所描繪的優選設計中，陶瓷反應管34的第一端42可以金屬化，并經釬焊連接到金屬套管44，接著金屬套管44也經釬焊連接到金屬管延伸46，然后金屬管延伸經擴展(卷入)或焊接連接并密封到管板18。適合的金屬化覆蓋層應包括小于50微米厚的鎳。用作金屬管延伸46的適合材料是因康合金200(Ihcalloy 200)或海納合金230(Haynes Alloy 230)。管子組裝典型是在約1000℃溫度下進行釬焊。在一優選方法中，金屬延伸跨越熱傳導區39和41的大部分，直達局部溫度達到約700-800℃的地方，以利用較好的熱傳導特性和較低的金屬成本。在格茲曼(Gottzmann)等人1997年4月29日提出的、題目為“整體固態電解離子傳導器分離器-冷卻器”、系列號為08/848,199共同擁有美國專利申請中，公開了這類金屬套管44，本文也援引作為參考。若采用金屬基質復合管，管端區應當用金屬而不是用膜材料覆蓋，且管端直接焊接到管板18。
返回參考圖1，反應管34延伸穿過第一限流管板24和第二限流管板21。為彌補反應管34因溫度造成的軸向尺寸變化及綜合變化，滑動密封件48和50將反應管34對管板21和管板24密封。圖3和4描繪了滑動密封范例。
參考圖3，一個O-型環密封件50，或代之以一個或多個編織或絞合繩密封卷或密封環，被嵌入在管板21形成的盲孔中。套管52使O-型環50對反應管34外壁壓緊，以使管34相對于管板21和套管52滑動密封。可以利用內接螺紋56施加擠壓力，或代之，套管法蘭58可以靠反應器部件(未標出)壓緊，或用螺栓緊固到管板21。
此外，如圖4所示，O-型環50安裝在管板21內適當尺寸的凹槽里。靠O-型環內徑和反應管外壁54直徑之間相干造成的預壓縮作用，實現管板21和反應管34之間密封。
密封區優選保持在約250℃-650℃的中等溫度。這樣相對低的溫度，和滑動密封必須僅靠小壓差密封的要求，以及本發明方法允許適度泄漏率的事實，為密封方法的選擇創造了相當大的自由度。
用作密封件48和50的合適滑動密封O-型環，包括如本文將其全部援引用作參考的，斯蒂內茨(Steinetz)等人美國專利5,082,293更充分闡述的編織陶瓷纖維、鋼壓環、膨脹石墨密封件、壓縮的Grafoil繩填料(Grafoil是國際UCAR的商標)、高溫合成橡膠和氟塑料等。
返回參考圖1，反應器10還包括催化劑床62，它在氧選擇性離子遷移膜組件反應區65附近，由多孔篩網64支撐。催化劑可以由小球組成，或代之以整塊陶瓷構件安裝。催化劑床62內所裝催化劑如礬土載帶的鎳，有效地增強甲烷向合成氣體的蒸汽轉化。催化劑可以裝填成整個催化劑床62活性均勻一致，或如下所述優選配置，以在床中間部位獲得吸熱和放熱反應的中性平衡，和在催化劑床62邊緣或端部附近獲得稍微放熱的平衡。開口66用于除去廢催化劑并用新鮮材料取代。
為增加反應器的安全性，第一緩沖氣體90，本文也稱為第二工藝氣體，經位于第一工藝氣體進口26和第一管板18之間的第一緩沖氣體進口72，引進到反應器10。第一緩沖氣體90要選擇為，一種對反應器內出現的化學反應是非可燃、非危險的促進劑。雖然，可以采用二氧化碳或蒸汽，但優選蒸汽，因為，蒸汽在所要求的應力下可以容易地產生，且為大部分轉化作用所需。經第一緩沖氣體進口72引進的蒸汽，其壓力比經工藝氣體進口26引進的燃料氣體壓力略高。典型地，蒸汽和工藝氣體之間的壓差應為1-20磅/平方英寸表壓，更優選1-10磅/平方英寸表壓。蒸汽對滑動密封件48起緩沖劑作用。
既然跨密封件的壓差比工藝氣體壓力和大氣壓之間的壓差小得多，密封件的維修要求就是一般的。此外，既然較高壓力是在外側，O-型密封環附近的任何泄漏都就是簡單將額外蒸汽加入到反應器中，且避免了工藝氣體或產品氣體可能危險地泄漏到含氧空間或反應器以外。因為轉化反應也需要蒸汽，故可允許密封件48附近的基本泄漏。換言之，通過第一端36對管板18固定的、基本氣密密封，和管板24內滑動密封件48，優選建立了兩級密封，其間間隔(室19)經進口72接納緩沖氣體90。
對催化劑床62提供定量蒸汽，用于蒸汽轉化反應。經限流孔74蒸汽進入反應區和催化劑床62，要設定限流孔的大小，以便在經常所需蒸汽體積條件下獲得1-10磅/平方英寸的壓降。既然轉化反應速率及轉化所需熱量取決于可獲得的蒸汽體積，那么改變經第一緩沖氣體進口72引進的蒸汽量和壓力，就可以調節反應器10的熱平衡。
第二緩沖氣體進口76，優選置于含氧氣體進口30和第二管板21之間。第二緩沖氣體也優選蒸汽，其功能類似于上述第一緩沖氣體。第二緩沖氣體經第二緩沖氣體進口76引進到反應器10，其壓力比經產品氣體出口70正在取出的產品氣體壓力略高。典型地，產品氣體和第二緩沖氣體之間壓差為約1-20磅/平方英寸表壓。第二緩沖氣體減小施于第二管板21和反應管34之間滑動密封件50上的壓差，也減小產物氣體泄漏到含氧氣體集流腔空間22，或經密封連接進口30泄漏到環境的危險。
當反應器10運行時，含氧氣體38按起始方向，如流動箭頭77所示，流過含氧氣體進口30。由浮動管板28和頭80局部構成的集流腔22，使含氧氣體30流向至少一個，優選流向多個反應管34。
在氧選擇性離子遷移膜組件40上，含氧氣體沿陰極側82流動。含氧氣體38內所包含的氧滲透部分84，遷移到陽極側86。余留部分氧作為貧氧氣體87排放。
第一工藝氣體88經工藝氣體進口26送入反應器10，第二工藝氣體經緩沖氣體進口72送入反應器10。第一工藝氣體選定為既可以同氧進行放熱反應，也可以同第二工藝氣體進行吸熱反應的氣體。為制備作為產品氣體71的合成氣，第一工藝氣體優選選自天然氣、甲烷、輕烴及其混合物。某些氫和二氧化碳也會存在，特別是如果某些產品氣體經部分反應器循環。下面圖10講述了一個包含低品位燃料如第一工藝氣體的實施方案。第二工藝氣體優選選自蒸汽、二氧化碳及其混合物。放熱反應是氧化或部分氧化作用，吸熱反應是蒸汽轉化作用。
為使第二工藝氣體90適當起第一工藝氣體88和含氧空間20之間的緩沖劑作用，第二工藝氣體90的壓力要大于第一工藝氣體88的壓力。為減小對滑動密封件24的要求，壓差優選為約1-20磅/平方英寸表壓。維持所需壓差的方法可以包括，控制第二工藝氣體90進入壓力，和控制限流孔74尺寸。
第二工藝氣體90流過限流孔74，并同第一工藝氣體88混合形成一種氣體混合物，它流過折流板92，并由流過區39的貧氧空氣87間壁回熱式地加熱。折流板92優選放置成基本垂直于反應管34，靠一環隙可滑動地頂著每根管34，并有效地使管際空間氣體流向熱傳導區的外表面，以增強熱傳導。也優選采用折流板使氣體流向反應區的外表面，以增強管際空間氣體和轉化催化劑之間的均勻接觸。
預熱的氣體混合物進入催化劑床62，在此處部分第一工藝氣體88同蒸汽起蒸汽轉化反應。另一部分第一工藝氣體88同滲透氧部分84起氧化反應，優選起部分氧化反應。蒸汽轉化反應是吸熱的，部分氧化反應是放熱的。調節這兩種反應的方法包括，控制兩種工藝氣體的流速以及控制送到反應器的含氧氣體流速。也可以控制反應器10內部熱平衡，方法包括如利用如下所述熱傳導屏蔽隔離部分氧化反應和轉化反應。控制放熱反應、吸熱反應和反應器內部熱傳導中的一個，以使氧選擇性離子遷移膜溫度保持在規定溫度范圍內。該溫度優選保持在700℃-1050℃。放熱反應產生的熱量可以平衡吸熱反應所需熱量，或更優選，使反應適合產生少量余熱。
部分余熱用于向含氧空氣38供熱。另一部分用于向進來的工藝氣體88和72供熱。剩下的余熱用于彌補對反應器周圍的熱泄漏。加給進來流體的熱量，要允許維持離開熱流體與進來冷流體之間有效熱傳導所需的適當溫差。選擇管際空間折流板92和93的間距以及管內徑，以便在加熱區91和冷卻區96獲得間壁熱傳導所需的適當對流傳熱系數。
可以采用幾種方法控制吸熱和放熱反應。蒸汽和CO2對燃料的相對含量、局部反應劑和反應產物的分壓、催化劑活性、局部溫度和其次壓力都會影響吸熱反應。局部燃料分壓和燃料種類，以及含氧氣體壓力、流速和膜局部溫度都會影響放熱反應。為提高局部吸熱反應速率，額外的蒸汽可以直接噴射入反應器10的選定部分，如射入催化劑床62的中間部分。此外，或者同額外的蒸汽結合，催化劑床62的催化活性逐漸變化，部分床具有較高的再活化速率，有利于吸熱蒸汽轉化反應。典型地，在反應區進口處催化劑活性應當是低的，在此處反應推動力大，形式為反應劑分壓高和反應產物分壓低，有利于吸熱反應，此后催化活性朝著床中部和另一端出口優選以降低的速率增加，作為反應最后部分的推動力。為加熱如經區39進來流體，和冷卻如經區41離開流體，內部結合的方法免除了對昂貴的額外高溫熱交換器的需要。
雖然圖1描繪了氣體經催化劑床軸向逆流流動，但通過催化劑床62內設置的折流板(未標出)，可以達到橫向逆流，以促進混合并減緩單管之間流動不良分布和氧遷移速率不均勻效應。
典型地，第一和第二工藝氣體在溫度約200℃-500℃條件下送往反應器，而含氧氣體在溫度約150℃-400℃條件下送往反應器。這可以使滑動密封件48保持在250℃-650℃相對適中的溫度。
工藝氣體和含氧氣體逆流流動，可以使出來流體溫度降低到300℃-700℃，再次簡化了密封件50的選擇，也簡化了壓力密封殼體部件如管板和頭的材料選擇，如今它們在更適中的溫度環境下操作。
經第二緩沖氣體進口76輸送的氣體，優選也是蒸汽或二氧化碳，用作某些額外第二工藝氣體，且優選其壓力大于產品氣體71的壓力。該壓差優選為1-20磅/平方英寸表壓。此外，氮或其它惰性氣體可以經第二緩沖氣體進口76輸送。這種情況下，第二緩沖氣體壓力要小于產品氣體壓力。壓差優選還是1-20磅/平方英寸表壓。當第二緩沖氣體不是反應成分時，其壓力降低，防止緩沖氣體污染反應器，但還是降低了對滑動密封件48負載的苛求。
圖5中描繪了另一種反應器100。反應器100的幾個組件類似于上述反應器10的組件。這些類似組件具有類似編號，以上敘述這里也要引用。
反應器100包括一個或多個反應管34，其第一端102是敞開的，第二端104是封閉的。含氧氣體38優選是空氣，經含氧氣體進口30送入反應器。含氧氣體38流入反應管34環繞的給料管106。含氧氣體38由給料管106第一端108流到第二端110。第二端110離反應管34封閉端104有一間距，以便含氧氣體38，流入由給料管106外表面113和反應管34內表面(陰極側82)所限定的第一環隙112。
優選地，給料管106內徑為第一環隙112寬度至少兩倍。這種間距減小從第一環隙112氣體流向給料管內流動氣體的相對熱傳導。例如，給料管內徑若為二分之一英寸，第一環隙寬度為十六分之一英寸，且考慮到給料管和反應管壁高厚度，則反應管外徑優選為四分之三英寸到八分之七英寸。給料管106和第一環隙內氣體流動是典型層流，或處于層流到湍流的過度形式。在層流中，對流膜系數與水力直徑成反比，水力直徑即給料管內徑，且約為第一環隙間隙的兩倍。可以指出，上述條件下，空氣到環隙112內流動工藝氣體的熱傳導膜系數，對環隙內空氣到給料管內空氣的熱傳導膜系數之比，優選為約5-10，更優選約8。
如上述實施方案，含氧氣體38內所含滲透氧部分84，經氧選擇性離子遷移膜40遷移到陽極側86，并用在放熱的部分氧化反應。余留部分87經空氣出口68排放。給料管106固定連接到第一管板114，而反應管34敞開端固定連接到第二管板116。第三管板118包括反應管34和管板118之間的滑動密封件48，也包含限流孔74。
第一工藝氣體88優選天然氣，經工藝氣體進口26引入反應器100。第二工藝氣體90優選蒸汽，在管板118和116之間引入到反應器。第二工藝氣體90其壓力大于第一工藝氣體88的壓力，使可燃性第一工藝氣體泄漏到含氧氣流體中的風險減小。壓差優選相對小，為1-20磅/平方英寸表壓，以減小密封件48的維修要求。
第二工藝氣體90流過限流孔74，并與第一工藝氣體88合并。氣體混合物通過第一折流板92進入催化劑床62，在此處部分工藝氣體同蒸汽催化進行吸熱轉化反應，而其余大部分工藝氣體同氧滲透部分84起放熱反應。產品氣體71經產品氣體出口70回收。
與圖1反應器10比較，反應器100具有幾個優點。反應器100要求差一點的管板和差一點的滑動密封套件。保留的滑動密封件48可以是非常松的，因為，它們的功能更像限流器，而不像屏障或隔離密封件，緩沖氣體(蒸汽)工藝流動方向與泄漏流動方向相同。反應管34封閉端104不受限制，并因此避免了因不準直可能產生的抗彎應力和因摩擦產生的軸向力。與反應器10比較，反應器100的一個缺點是產物氣體70的冷卻是低效的，因為含氧氣體38通過給料管106內徑時已經略微溫熱。與離開合成氣反應器10的流體比較，這導致離開反應器100時產品氣體更溫熱一些，貧氧空氣94更冷一些。
圖1反應器10和圖5反應器100的共同特點是，放熱反應和吸熱反應的反應劑和反應產物是混合的。雖然這種設計優化了從放熱反應到吸熱反應的熱傳導，但也會使兩種反應的控制和平衡出現某些困難。減輕這種困難的方法包括，隔離吸熱反應空間和放熱反應空間，同時保持良好的熱傳導耦合。
在本發明的一個實施方案中，達到這種隔離的方法包括，采用圖6截面圖所描繪的反應器120。含氧氣體38優選空氣，經含氧空氣進口30送到反應器120。含氧氣體38送到氣體給料管106的第一端。雖然圖6按如下圖7-10所述其它管子的設計描繪了單根氣體給料管，但與其它管子同樣設計的多根氣體給料管，典型地組合在同一個反應器中。第一端108固定連接到第一管板114上。反應管34環繞著給料管106。反應管34具有一個固定連接到第二管板116的敞開端102，和一個封閉端104，并延伸穿過第三管板118和管34與管板118之間滑動密封件48。
屏蔽管122環繞置于催化劑床62內部的至少部分反應管34。屏蔽管122是由導熱的、不透氣材料，如不銹鋼、因康鎳合金200或適當陶瓷構成。屏蔽管122內壁124和反應管34外壁86(陽極)限定了第二環隙126。
操作中，含氧氣體38沿起始方向流過給料管106。在反應管34封閉端104，氣體繼續流過由給料管106外表面112和反應管陰極側82限定的第一環隙128。滲透部分84遷移到陽極側86，貧氧空氣經空氣出口68排放。
第一工藝氣體88，如上所述可以是天然氣、甲烷或其它輕烴，經第一工藝氣體進口26送入反應器120。緩沖氣體90a，如蒸汽，經緩沖氣體進口72送入。如上所述，蒸汽其壓力優選大于第一工藝氣體壓力，且更優選，壓差為1-20磅/平方英寸表壓。
上述實施方案的特征是，蒸汽90a只起緩沖劑的作用。第一工藝氣體88流過第二環隙126，并同滲透氧部分84起放熱反應，產生第一反應氣體130，它是典型合成氣，其氫對一氧化碳比為2。
工藝氣體和蒸汽的氣態混合物132經第二工藝氣體進口134引入反應器。置于第一工藝氣體進口26和第二工藝氣體進口134之間的是不透氣隔板，優選為第四管板129。氣態混合物132可以任選包括二氧化碳和返回的產物，它由在環隙128中流動的含氧余留氣體間壁回熱地加熱。然后在催化劑床62發生蒸汽轉化作用，產生第二反應氣體部分136，其氫對一氧化碳比大于第一產物流體130。第二反應氣體部分136同第一反應氣體部分130會合，經產品氣體出口70回收合成氣71。
圖6描繪的反應器120，在控制各自反應以及調節產物組成方面提供了很大的靈活性。部分氧化反應和轉化反應機械地隔開，但保持兩個反應之間密切的熱傳導耦合。這使反應能獨立進行且更好控制。隔開反應的其它優點包括可能推動超出部分氧化的氧化反應，以提供產生較高H2/CO比所需的熱量，而不犧牲氧遷移膜的溫度控制，和因反應側隔絕氮而不產生過量的NOx，優選所有流體溫度保持在1100℃以下。
圖7-10描繪了用于圖6反應器120的不同氣體流動設計。每一實施方案都存在一個氧化通道，氧化通道的一壁是氧選擇性遷移膜34a的陽極側86，而另一壁是給料管106a。氧化反應發生在陽極表面，獲得的反應熱提供催化劑床62蒸汽轉化吸熱反應所需的能量。若總體熱平衡是放熱的，含氧氣體和沿反應管34流動的工藝流體溫度提高，這就要求這些流體以較低溫度進入，以保持膜組件所需操作溫度。
參考圖7，含氧氣體38沿起始方向流動。氧化通道138相應于圖6通道128，其中第一工藝氣體88，和經床62流過轉化通道140的氣體混合物沿相反方向流動。氧化通道138的第一出口流體142，其H2/CO比典型為2左右，轉化通道140的第二出口流體144，其H2/CO比為約3或更高。按兩個平行通道138、140各自給料88、132成比例混合兩個出口流體142、144，可以獲得所需H2/CO比2-3。比值小于2.4，總體能量平衡是典型放熱的，含氧氣體38和工藝氣體88、132溫度的明顯上升，作用如同冷源。H2/CO比值更高時，平衡是吸熱的且需要額外熱量。產生額外熱量的方法包括，使某些超出部分氧化作用的氧化反應進行，如加入更多的氧、引入較高溫度的含氧氣體和工藝氣體、或在空氣通道內燃燒一些燃料。
圖8描繪了氧化通道138和轉化通道140的串聯設計。第一工藝氣體88送入氧化通道138，并接著與滲透氧起放熱反應，根據燃料與氧的比值，第一出口流體142含有部分或全部氧化產物。第一出口流體142然后在交點146同第一工藝氣體和蒸汽的氣體混合物132混合，并送到轉化通道140。在產品流體70中獲得不同H2/CO比的方法包括，改變兩種工藝氣體給料流體88、132的比值，和氧化通道138中完全氧化的程度。除為氧化反應提供氧之外，含氧氣流38還構成一個冷源或熱源用于平衡能量需求。
圖9描繪了一種實施方案，其中產品流體隨第一工藝氣體88返回，以增加氧通量并因此產生熱量，因為，返回的產品氣體含有一氧化碳和氫，且這些氣體同滲透氧的反應比較快。這使陽極側氧分壓降低，并提高氧遷移推動力。氧通量取決于氧從反應管34陰極側82遷移到陽極側86的速率。流體148是第一工藝氣體88，和產品氣體70的一部分152，在交點150匯合的混合物。
此外，第一工藝氣體88可以用二氧化碳和蒸汽(圖9虛線228)稀釋，以減少氧通量。在高氧通量在陽極表面86產生過量熱，以致表面溫度控制困難的實施方案中，這是有利的。
圖10描繪了一個用作純轉化器的流動實施方案，其中轉化反應所需能量由新燃燒器提供。該實施方案，氧化通道138的氣體不與轉化器通道140連通。第一工藝氣體88與滲透氧燃燒，產生吸熱轉化反應所需熱量。燃燒產物154由反應器排放。圖10所描繪的氧選擇性離子遷移膜轉化器的優點是，可任選使用低壓低品位燃料，氧遷移膜和轉化器壁表面溫度控制良好，和因反應環境隔絕氮使NOx生成率低，以及貧氧空氣87的溫度典型低于1000℃。本文所用術語“低品位燃料”系指其燃燒值低于500英制熱量單位/立方英尺的氣體流體。比較起來，天然氣燃燒值典型為900-1000英制熱量單位/立方英尺。低品位燃料的一個來源是變壓吸附(PSA)尾氣，它典型含有低于50％的烴或一氧化碳，該流體大部分是二氧化碳和/或水。
圖11和12描繪了其它反應器實施方案，其中給料管由排料管代替，且含氧氣體沿同心直管外表面附近管際空間流動。而工藝氣體在同心管內部環隙流動。
圖11反應器160包括第一排放管162和第二排放管164，兩個排放管均固定連接到第一管板114。置于第一排放管162附近的是反應管34，其敞開端穿過第二管板116和管與管板之間的滑動密封件48。反應管34其對面一端是封閉的，其氧遷移膜至少延伸通過反應器的反應區。
置于第二排放管164附近的是轉化管166，它由金屬或陶瓷材料構成，用于容納如下所述的蒸汽轉化反應。轉化管166其敞開端168固定連接到第三管板118，或連接到第四管板202，其對面一端170是封閉的。催化劑床62優選填滿環隙198，它由第二排放管164外壁172和轉化管166內壁174限定。
當反應器160操作時，含氧氣體38典型為空氣，送入反應器的氣密腔。氧接觸反應管34的外側(陰極)表面82，其滲透部分遷移到陽極側86。陽極側86和第一排放管162的外壁176組合構成進行部分氧化作用的環隙。
第一工藝氣體88典型為天然氣、甲烷或其它輕烴，經第一工藝氣體進口26送入反應器。第一工藝氣體88流過由外壁176和陽極側86限定的環隙。部分氧化作用發生，產生產品氣體71’，它經第一排放管162移入室200。
與氧化反應平行，額外的第一工藝氣體88’經第二工藝氣體進口134送入，并同經緩沖氣體進口72引入的蒸汽90合并。蒸汽其壓力大于額外第一工藝氣體88’壓力，并流過限流孔74，同額外第一工藝氣體88’合并形成氣體混合物132。混合物132向上流過環隙198，被預熱并參加在床62進行的轉化反應，然后由管際空間空氣38冷卻后，經管164排放。氣體混合物132經催化劑床62輸送，在催化劑床發生蒸汽轉化作用，產生第二產品氣體部分180，它與第一產品氣體部分71’在室200合并，并作為合并產品流體71經產品氣體出口70排出。
如較早的實施方案，加壓蒸汽90作用如同額外第一工藝氣體88’和低壓含氧氣體38之間的緩沖劑。貧氧氣體流體203穿過折流板205后，從反應器160排出。
圖11所描繪本發明實施方案，功能上類似于圖7的設計。圖11的實施方案也優選包括預熱區和冷卻區。
圖12描繪了氣體流動是串聯的反應器201。第一工藝氣體88經第一工藝氣體進口26進入反應器。第一工藝氣體88流入第一環隙112，第一環隙112由反應管34內側(陽極)表面86和第一排放管162的外表面176限定。
含氧氣體38如空氣，送入反應器的氣密腔，并接觸反應管34的外側(陰極側)82。氧的滲透部分84穿過氧選擇性離子遷移膜，在陽極側表面86發生放熱氧化反應。貧氧氣體流體203通過折流板205后從反應器201排放。
氧化產物154，同額外工藝氣體(類似于圖11工藝氣體88’)和蒸汽(類似于圖11蒸汽90)的氣體混合物132合并，形成合并工藝流體204，送往轉化管209和排放管207之間充填了催化劑62的第二環隙126。蒸汽轉化作用之后，產品氣體71于是作為合成氣被回收。該實施方案功能類似于圖8的實施方案。
圖11和12的設置包含空氣流動的管際空間，和沿反應管內徑進行的反應。本領域技術人員會認識到，若所有反應管至少在離子遷移反應器的反應區裝有離子遷移膜，圖1、5和6的方法也進行管內反應和管外空氣流動。應當采用類似于圖11和12所描繪的那些設計。
優選地，每根管都固定連接到僅一塊管板上，而與其它管板滑動密封，或自由地穿過其中。例如圖12，排放管207僅連接管板206，而排放管162僅連接管板208。排放管207、162因分別置于轉化管209和反應管34內部，而自由穿過其余管板210和212。轉化管209以這種結構固定連接到管板212上，并分別用密封件214、216滑動密封穿過管板208、210。反應管34僅固定連接到管板212上，并用密封件218與管板210滑動密封。管209和34自由穿過折流板205的細小環隙狹縫。
下述實例，將使本發明整個方法，及其相關反應器設計的優點變得更明顯。
實例圖1所描繪的這種管殼反應器是計算機設計的。該反應器擁有1000根反應管34，每根反應管其長度為31英尺。該長度的18英尺為反應區65,6英尺為預熱區91和7英尺為冷卻區96。管到管間距1.5英寸，管束直徑4英尺。每根管都由密實混合導體構成，在反應區65內可以選擇性離子遷移，且在反應區65之外無活性。管子其外經為1英寸，其內徑為0.875英寸。反應區65的膜40由LaSrFeCr鈣鈦礦構成。
圖13圖解說明反應器的氣體組成。橫軸表示反應成分已通過反應區的百分比，而縱軸表示每一成分的摩爾百分比。當x/L＝0時，挨著預熱區91的反應區最上游端氣體成分摩爾百分比近似為，40％CH4、39％CO、10％H2、8％CO及平衡量的CO2。當x/L＝1時，鄰近冷卻區96的反應區最下游端預期氣體成分組合物摩爾百分比為，47％H2、25％H2O、20％CO、5％CO2、4％N2和2％CH4。
確定了穿過反應區的平均氧通量為15.4NCFH/FT2，且給料空氣中50％有用氧可以利用。反應管整個長度上的溫度如圖14所描繪。氫凈產量預期為495磅摩爾/小時，一氧化碳為211磅摩爾/小時，摩爾比為H2∶CO＝2.35。
該實例說明了控制熱量產生和熱傳導的能力，防止氧選擇性離子遷移膜溫度的過度偏移的能力，以及使密封區管溫達到小于400℃，實際上減輕對滑動密封件限制的能力。
雖然，已按管殼型反應器對反應器進行了特殊描述，但據認為，適合于氣體成分部分氧化和轉化的其它類型反應器，也可用于實施本發明方法。
據認為，本發明方法所采用的離子遷移膜可以具有任何所需構形，包括管型、板型和直槽型。此外，通過引進催化劑、表面涂層或多孔膜和層，可以增加氧通量率。
術語“包含”，在本文用意為“包括但不限于”，即當涉及權利要求書中敘述的特征、整體、步驟或組分的存在時，不排除存在或附加一個或多個其它特征、整體、步驟、組分或其組合。
因為，根據本發明每一特征都會與其它特征相聯系，所以，在一張或幾張圖中說明本發明的特征，僅僅是為了方便。其它實施方案將為本領域技術人員所認識，并要包括在權利要求書范圍內。
權利要求
1. 一種用于在反應器中制備產品氣體的方法，反應器中裝有至少一個氧選擇性離子遷移膜組件，該氧選擇性離子遷移組件有一陰極側和一陽極側，該方法包括含氧氣體在起始方向沿陰極側流動，滲透氧部分穿過氧選擇性離子遷移膜組件遷移到陽極側；使第一工藝氣體和第二工藝氣體與含氧氣體隔離，借此，至少第一工藝氣體沿陽極側流動，且第一工藝氣體既可以與氧起放熱反應，也可以與第二工藝氣體起吸熱反應；所述氧部分同第一工藝氣體起放熱反應，而第一工藝氣體同所述第二工藝氣體起吸熱反應；和控制放熱反應、吸熱反應和反應器內部熱傳遞中的至少一個，以使氧選擇性離子遷移膜組件溫度保持在規定范圍內。
2. 權利要求1的方法，其中第一工藝氣體和第二工藝氣體混合，借此，在吸熱反應或放熱反應之前，形成氣體混合物。
3. 權利要求2的方法，其中控制步驟產生余熱，該余熱用于加熱反應組分，反應組分選自第一工藝氣體、第二工藝氣體、它們的混合物和含氧氣體。
4. 權利要求2的方法，還包括，沿至少部分陽極側放置催化劑床，所選定的催化劑要能夠促進吸熱反應。
5. 權利要求4的方法，其中催化劑床的局部活性要選擇性地適合于，在催化劑床邊緣部分附近產生放熱和吸熱反應溫度的正平衡，和在床的中心產生中性平衡。
6. 權利要求5的方法，其中催化劑的活性向床的中部和出口逐漸增加。
7. 權利要求5的方法，還包括，將選自二氧化碳、蒸汽及其混合物的額外第二工藝氣體加入到催化劑床中心部分，以局部增加吸熱反應速率。
8. 權利要求1的方法，其中第二工藝氣體與第一工藝氣體用熱傳導不透氣部件隔離。
9. 一種用于在反應器中制備氫和一氧化碳混合物的方法，反應器中裝有至少一個氧選擇性離子遷移膜組件，氧選擇性離子遷移膜組件具有一陰極側和一陽極側，該方法包括含氧氣體在起始方向沿陰極側流動，且滲透氧部分穿過氧選擇性離子遷移膜組件遷移到陽極側；第一工藝氣體沿陽極側流動，第一工藝氣體能與氧進行放熱反應；提供一種熱傳導不透氣部件，用于使第一工藝氣體與能進行吸熱反應的第二工藝氣體隔離；第一部分第一工藝氣體同滲透氧起放熱反應，而第二工藝氣體起吸熱反應；和控制反應器內放熱反應、吸熱反應和內部熱傳遞中的至少一個，以使氧選擇性離子遷移膜溫度保持在規定范圍內。
10. 反應器包括一個限定氣密腔的中空殼體；置于氣密腔內的多塊管板，多塊管板的第一塊限定第一室和第二室；至少一根具有第一和第二端的反應管，反應管第一部分與多塊管板的一塊固定連接和基本上氣密密封，并敞口進入第一室，該反應管的其余部分軸向無限制，該反應管還包括置于第一端和第二端之間的氧選擇性離子遷移膜；第一工藝氣體進口，用于在第一壓力條件下輸送第一工藝氣體到氣密腔；第二工藝氣體進口，用于在第二壓力條件下輸送第二工藝氣體到氣密腔；一個進口，用于在第三壓力條件下輸送含氧氣體到氣密腔；和多個出口，用于從氣密腔排出產物氣體和反應付產品氣體。
全文摘要
放熱反應和吸熱反應在一反應器中進行熱結合，該反應器具有至少一個氧選擇性離子遷移膜，該膜用含氧氣體如空氣中的氧提供放熱反應。吸熱反應的熱需要量由放熱反應來滿足。根據所采用的反應器設計，放熱反應和吸熱反應可以氣態地結合。
文檔編號C01B13/02GK1239014SQ9910696
公開日1999年12月22日 申請日期1999年6月2日 優先權日1998年6月3日
發明者C·F·戈茨曼, V·E·伯格斯滕, R·普拉薩德, J·E·懷特, J·M·施瓦茨, T·J·馬扎內斯, T·L·卡布勒, J·C·法格萊 申請人:普拉塞爾技術有限公司, 標準石油公司