[发明专利]用于气体分离和/或化学反应的反应器及其制造方法

说明书

发明领域

本发明涉及膜技术领域，并涉及用于气体分离和/或化学反应的反应器，特别是用于从含氧气体中回收氧气的反应器，以及该反应器的制造方法。

背景技术

用膜技术实施的气体分离和/或化学反应，特别是应用透氧膜进行的烃类气体的氧化转化，是气体处理的一个有前景的发展方向。

膜分离技术的引入，特别是在膜反应器中用透氧膜分离空气，使得合成气(一氧化碳和氢气的混合物)生产的能量消耗和成本费用显著的减少(高至30％)，从而降低了包括氢气的生产成本。

膜方法重要的优点也在于反应器模块设计提供了更容易规模化生产的可能性。

用于气体分离特别是氧气回收和/或在膜反应器中实施转化过程的透氧膜，是一个陶瓷板或管或其它合适的形式结构。膜在烃类气体部分氧化过程的典型高温下具有足够的透氧性。同时膜是气密性的，也就是说是用无孔材料制造的。用于空气分离的膜含有离子或混合的电子-离子传导性。在两种情况下的氧离子，通过分压梯度驱动，以高速和绝对的选择性通过致密的无孔膜。

膜反应器为包括由透氧陶瓷膜分开的两个腔室的设备，含氧混合物进入一个腔室，从另一个腔室取走氧气，或者将氧化剂供给到所述的第二个腔室。

在设计膜反应器时，主要的问题在于制造反应器的金属和制造膜的陶瓷的热膨胀系数的差异，这将导致膜和反应器之间的连接表面破坏。

为解决该问题，高温密封剂被开发并用于不同种材料间的连接。因此，为连接金属和陶瓷，使用了陶瓷和玻璃的组合，如Pyrex玻璃。然而，这种密封剂只能在接近常压和相当低的操作温度下使用，不超过600℃(X.Qi，F.T.Akin，Y.S.Lin，J.Memb.Sci.，2001，v.193，p.185)。

已知有基于金和银的软合金的密封剂，它们的缺点在于高成本(O.C.Paiva，M.A.Barbosa，J.Mater.Sci.，1997，v.32，p.653)。

还有已知的机械密封的例子，其中，连接部分的表面相接触，但在制成这些部分的金属和陶瓷材料之间没有熔合。在加热和冷却时，金属和陶瓷部分仍相对移动，且材料间热膨胀系数的差异引起张力增加(J.A.Lane，S.J.Bensonet all，Solid State Ionics，1999，v.121，p.201)。

专利US6302402描述了一种用含贵金属的复合材料制成的复杂形式的密封圈将膜固定于内部的反应器组件。它也描述了该反应器的制造方法，包括在高温(400℃至1000℃)下膜的密封。密封圈由选自包括铁、镍、铬、钨、钼或钴的组中的金属制成，并涂敷一层另一种金属(如金、铜、镍、钯、铂)。该技术解决方案的缺点在于制造的复杂性和高成本。

在文献中也描述了一种反应器，其中，陶瓷膜用高温含镍焊接剂密封(Report on USA Depar tment of Energy grant [S.Bandopadhyay，N.Nagabhushana.Quaterly Report.School of Mineral Engineering.University of Alaska Fairbanks.2000//DOE Award#DOE-FC26-99FT400054])。尽管具有相对较低的化学活性的含镍焊接剂在连接表面具有好的润湿性，但也证明了在焊接剂和陶瓷膜之间的相互作用得以加强，这在焊接后会引起断裂，这作为该技术解决方案重要缺点没有给反应器提供可接受的寿命。

发明内容

本发明的任务是开发一种用于气体分离和/或实施化学反应的反应器，特别是，用于使用陶瓷透氧膜从含氧气体中回收氧气的反应器，所述反应器由于陶瓷膜和反应器壳体之间稳定的紧密连接而拥有长的使用寿命。

技术效果包括减小了连接无件和陶瓷层的线性膨胀系数差异，和阻止了所用合金向陶瓷层的扩散，这将共同导致与连接元件连接的陶瓷膜稳定性的增强，包括在高温时显示出的稳定性。

技术效果通过下述因素获得，在用于气体分离和/或化学反应的反应器中，所述反应器包括壳体、陶瓷膜和位于两者之间由含有门捷列夫周期表第VIII族和第VI族元素的合金制成的连接元件，其中在临近膜的连接元件的表面上形成一层氧化铝。

连接元件和膜之间的氧化铝层消除了线性膨胀系数的差异，并同时起到了防止金属原子从合金扩散到陶瓷的保护性阻挡层作用。这两个因素导致连接稳定性的增强，特别是在高温下，显示出膜和反应器的这种连接的完整性的保持。