[发明专利]化学成环

说明书

本发明涉及使用具有可变的非化学计量程度的非化学计量材料进行化学成环的方法。这些方法的一种应用是在用于H₂产生的水煤气变换反应中。本发明的方法可以克服限制，例如与化学平衡有关的限制，这些限制阻止化学过程继续进行将起始材料完全转化成产物。

本发明涉及使用具有可变的非化学计量程度的非化学计量材料进行化学成环的方法。这些方法的一种应用是在用于H₂产生的水煤气变换反应中。本发明的方法可以克服限制(limitation)，例如与化学平衡有关的限制，这些限制阻止化学过程继续进行将起始材料完全转化成产物。

背景

许多重要的化学反应本质上是可逆的。此类化学反应的进展从根本上受化学平衡所限制，化学平衡在反应物被混合并且允许反应时被确立。平衡限制导致反应物的不完全转化，需要复杂的分离工艺和未使用的反应物的再循环。

一种此类可逆的反应是水煤气变换反应(WGS)，借此一氧化碳(CO)与水(H₂O)反应以产生氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)。此反应在H₂产生工艺中是重要的，并且通常从例如在约800℃或更高的温度进行的烃蒸汽重整工艺获取水和含CO的进料流。WGS反应的可逆的放热性质意味着复杂的多步骤工艺对于H₂产生是需要的。通常，最终通过变压吸附来分离H₂和CO₂。虽然低温重整或低温变换可以是可行的，但在动力学上有利的高温增加转化率的创新工艺已经聚焦于原位除去反应产物中的一种的方法。此类方法已经包括采用钯膜(palladium membrane)用于H₂分离以及应用所谓的增强的WGS工艺以通过形成碳酸钙来除去CO₂。

化学成环(CL)是动态过程，其中材料例如金属氧化物(其充当氧载体材料(oxygencarrier material)或OCM)被用于提供元素例如氧，以用于在材料自身经历还原期间反应(见‘Chemical looping and oxygen permeable ceramic membranes for hydrogenproduction–a review’；Thursfield等人；Energy Environ.Sci.,2012,5,7421-59)。然后，将还原的氧化物或金属在第二反应器中或在第二步中再氧化，如果使用固定床。结果是，CL工艺通过使用自身能够经历氧化和还原的固相材料将总工艺物理地(或暂时地)分成其单独的氧化步骤和还原步骤。CL先前已经被应用于能量转化工艺、重整工艺和WGS工艺。重要地，进料至CL工艺的氧化流和还原流从不彼此混合，并且因此进行‘未混合的’反应。

逆流化学成环(reverse flow chemical looping)是氧化气体和还原气体以相反的方向通过反应器的地方。特别地，已经使用氧化铁作为OCM进行逆流化学成环水煤气变换反应(Thermodynamic analysis of a cyclic water gas-shift reactor(CWGSR)forhydrogen production’；Heidebrecht等人；Chemical Engineering Science,2009,64,5057-5065)。

非化学计量材料已经用于化学成环水煤气变换反应(‘A chemical loopingprocess for hydrogen production using iron-containing perovskites’；Murugan等人；Energy Environ.Sci.；2011,4,4639-4649)。

公开内容简述

根据本发明，提供了进行化学反应的方法，所述反应包括将元素或基团X从一种化学物质转移至另一种化学物质，该方法循序地包括：

A)使化学物质P通过固定床反应器，化学物质P从固定床反应器的第一位置流动至固定床反应器的第二位置，并且从固定床反应器的第二位置提取产生的化学物质PX_y；以及然后