[发明专利]用于薄膜反应器的复合材料

说明书

相关申请

本申请是1997年10月28日提交的美国申请No.08/958,574，即现在的美国专利No.5,935,533的部分继续申请，这里引入上述美国专利全文作为参考。

发明领域

本发明涉及用于薄膜反应器的复合材料，此反应器包括气密式陶瓷，多孔支承体，和这两者之间的界面区。具体地说，本发明涉及使用氧离子传导致密陶瓷薄膜的复合材料，这种薄膜在金属合金构成的多孔支承体上形成，从而在致密陶瓷薄膜与多孔支承体之间提供一个化学作用的界面区。一般地，通过至少一种金属元素的成分梯度，即穿过致密陶瓷薄膜和多孔支承体之间的界面区的金属元素的成分梯度可以识别出化学作用。优选地，化学作用对应于这两种不同材料的热膨胀系数及其他物理性质。

根据本发明，使用复合材料的工艺包括把甲烷气转化成增值产品，例如，由一氧化碳和分子态氢组成的合成气体的生产，在此生产中，合成气体很好地消除了有害的和/或惰性的气体稀释剂，如氮气。

发明背景

把低分子量的链烷烃如甲烷转化成合成燃料或化学品日益受到更多关注，因为低分子量的烷烃总得来说有安全与可靠的来源。例如，天然气井与油井目前生产大量的甲烷。另外，低分子量的烷烃一般出现在煤矿床中，并且在采矿作业期间、石油加工中以及煤、焦油沙、油页岩和生物体的气化或液化过程中也可能形成。

许多这类烷烃源位于相对遥远的地区，远离潜在的用户。可及性对有效和广泛利用位于偏远处的甲烷、乙烷和天然气是主要的障碍。通过压缩液化天然气，或者通过建造和维护管线的方式把天然气运输到用户那里的成本常常是极其昂贵的。因此，转化低分子量的烷烃为更易于运输的液体燃料和化学原料希望有的方法，并且已经报道过许多这种方法。

报道的方法可以被简单地分为直接氧化法和/或间接合成气法两类。直接氧化法把低分子量的烷烃转化为甲醇、汽油和分子量相对较高的烷烃等产品。与此相对照，间接合成气法一般包括作为中间产品的合成气的生产。

本行业技术人员都知道，合成气是一种一氧化碳和分子态氢的混合物，这个混合物的二氢物比一氧化碳的摩尔比一般在1∶5到5∶1的范围内，且有可能含有其他气体如二氧化碳。按照著名的费-托工艺以及其他的方法，合成气作为原料具有转化为醇、烯或饱和烃(链烷烃)的实用性。合成气不是商品，相反地，一般地它被就地生产是为了深加工。在一些地点，合成气由供应者生产出来并被卖到“隔壁”深加工成增值产品。合成气潜在的一个用途是作为一种转化成高分子量(例如C₅₀₊)的链烷烃的原料，这种链烷烃为氢化裂解提供了优选的原料，氢化裂解就是把这些原料转化成高质量的喷气发动机燃油与高级的高十六烷值柴油机用燃油的混合成分。合成气的另一种潜在的应用是大规模地转化成甲醇。

为了生产高分子量的链烷烃而不要低分子量(例如，C₈到C₁₂)的线性链烷烃，或者为了合成甲醇，期望利用H₂∶CO的摩尔比约为2.1∶1、1.9∶1或更小的合成气原料。正如本领域众所周知的那样，使用H₂∶CO比相对较高的合成气的费-托合成气转化反应产生具有相对多的甲烷和相对低的碳原子数的烃产品。例如，合成气的H₂∶CO比约为3，一般制备较多的C₁-C₈的线性链烷烃。这些材料的特征为极低的辛烷值和高雷德蒸气压，并且这些材料在用作汽油时是极不受欢迎的。

通过增加每个产品分子的碳原子的平均数和降低所产生的甲烷和轻链烷烃的数量，降低H₂∶CO的摩尔比改变了产品的选择性。因此，有许多原因期望生产氢气比一氧化碳的摩尔比为2∶1或更小的合成气原料。

先前的用天然气生产合成气的方法(一般地被称为“天然气重整”)可以被分为(a)蒸汽重整法，即天然气在高温下与蒸汽反应的方法，(b)部分氧化法，即通过催化或不催化的方式甲烷用纯氧被部分氧化的方法及(c)联合循环重整法，即由蒸汽重整和部分氧化两步组成的方法。

蒸汽重整涉及甲烷和蒸汽在催化剂上生产一氧化碳和氢气的高温反应。然而，这种方法导致氢气比一氧化碳的比值较高的合成气的产生，比值一般超过3∶1。

利用纯氧部分氧化甲烷制备一种H₂∶CO比接近2∶1的产品，但是，大量的二氧化碳和碳是副产品，而且纯氧是昂贵的氧化剂。尽管由于与直接蒸汽重整方法相比蒸汽重整反应器的尺寸减小了，使这种方法节约了一些投资，但是在联合循环重整系统中仍需要一个昂贵的空气分离步骤。