[发明专利]分级膜氧化反应器系统

说明书

关于联邦政府资助研究或开发的声明

本发明在政府支持下进行，合同号DE-FC26-97FT 96052，由Air Products and Chemicals，Inc.与美国能源部签署。政府对本发明享有某些 权利。

技术领域

本发明涉及分级膜氧化反应器系统。

背景技术

氧离子可以渗透陶瓷离子传输膜是高温氧化反应器系统的设计与 操作的基础，在所述系统中，渗透氧与可氧化化合物反应形成氧化或部 分氧化的反应产物。这些氧化反应器系统的一部分应用要求膜组件具有 大的表面积，使氧化进料气体与膜的氧化侧接触的流道，使反应进料气 体与膜的反应侧接触的流道，和从膜的渗透侧提取产物气体的流道。这 些膜组件可以包含大量布置和装配成模块(module)的单独的膜，所述 模块有适当的气体流动管路，可向模块中引入进料气体并从模块中提取 产物气体。

离子传输膜可以制成平面或者管线状结构。在平面结构中，安装多 个平面陶瓷板，并将其组装成堆或模块，具有管路，可使氧化进料气体 和反应进料气体流过平面膜，并从平面膜的渗透侧提取产物气体。在管 线状结构中，多个陶瓷管线可以组成插接(bayonet)或管线壳结构，具 有适当的管线板组件，将多管线的氧化与反应侧分开。

在平面或管线状模块结构中使用的单独的膜通常包含非常薄的活 性膜材料层，所述层的支撑材料具有大的孔或通道，使气体可以流至活 性膜层表面和从活性膜层表面流出。在通常稳态操作的过程中，和特别 在非稳态启动、关闭和故障的过程中，陶瓷膜材料和膜模块的组件可以 经受强的机械应力。这些应力可能由于陶瓷材料的热胀冷缩所导致，和 由化学组成或晶体结构改变产生的尺寸变化所导致，所述化学组成或晶 体结构改变是由于膜材料的氧化学计量改变而引起的。这些模块可以在 膜和膜密封件两侧有显著压差时操作，在膜模块设计时必须考虑这些压 差产生的应力。此外，膜模块有温度上限，高于上限温度，会发生膜降 解和/或模块损伤。这些现象的相对重要性根据特定的氧化反应和所用的 操作条件而不同。由这些现象产生的潜在操作问题可能对系统的转化效 率和膜使用寿命有很大的负面影响。

在高温陶瓷膜反应器领域，需要有新的膜模块和反应器系统设计， 来解决和克服这些潜在的操作问题。这种设计应该包括下述特点：膜使 用寿命长、资金成本最小和在大的生产速率范围内能够有效操作。本发 明的实施方案在本文公开并详细说明满足这些需要的方法，即通过提供 用于膜氧化系统的模块和反应器的改进设计来满足这些需要。

发明内容

本发明的一个实施方案涉及离子传输膜氧化系统，所述系统包含 (a)两个或更多个膜氧化级(stage)，每级包含反应域(zone)、氧 化域、将反应域和氧化域分隔开的一个或多个离子传输膜、反应气体入 口区(region)、反应气体出口区、氧化气体入口区和氧化气体出口区； (b)置于每对膜氧化级之间的级间反应气体流道，其中级间反应气体 流道可将每对膜氧化级中第一级的反应气体出口区与第二级的反应气 体入口区流动连通(flow communication)，使级间反应气体能从第一级 流至第二级；和(c)一个或多个反应级间进料气体管线，每一管线都 与任何级间反应气体流道流动连通，或与接收级间反应气体的任何膜氧 化级的反应域流动连通；

另一个实施方案包括产生氧化产物气体的方法，包含(a)提供离 子传输膜氧化系统，所述系统具有(1)两个或更多个膜氧化级，每级 包含反应域、氧化域、将反应域和氧化域分隔开的一个或多个离子传输 膜、反应气体入口区、反应气体出口区、氧化气体入口区和氧化气体出 口区；(2)置于每对膜氧化级之间的级间反应气体流道，其中级间反 应气体流道可将每对膜氧化级中第一级的反应气体出口区与第二级的 反应气体入口区流动连通，使级间反应气体能从第一级流至第二级；和 (3)一个或多个反应级间进料气体管线，每一管线都与任何级间反应 气体流道流动连通，或与接收级间反应气体的任何膜氧化级的反应域流 动连通。所述方法包括将一种或多种反应进料气体引入两个或更多个膜 氧化级中第一级的反应气体入口区；(c)将氧化气体引入两个或更多 个膜氧化级中的任何氧化气体入口区；(d)将反应级间进料气体引入 置于邻近膜氧化级之间的任何级间反应气体流道，或引入接收级间反应 气体的任何级的任何反应域；和(e)从两个或更多膜氧化级中最后一 级的反应气体出口区提取氧化气体产物。