[发明专利]催化膜反应器

摘要

一种组件，其特征在于：或者包含由包含至少75体积％和至多100体积％式(I)：M_1－x－uM′_xM″_uM_1－y－vM′_yM″_vO_3－w的化合物的材料构成的致密层(CD1)，与所述致密层(CD1)相邻的由包含至少75体积％和至多100体积％式(II)：M_1－x－uM′_xM″_uM_1－y－vM′_yM″_vO_3－w的化合物的材料构成的多孔层(CP1)，和与所述致密层(CD1)相邻的由包含至少75体积％和至多100体积％式(III)：M_1－x－uM′_xM″_uM_1－y－vM′_yM″_vO_3－w的化合物的材料构成的催化层(CC1)；或者包含如上定义的致密层(CD1)、多孔层(CP1)、厚度为EC1的催化层(CC1)和插在所述催化层(CC1)和所述致密层(CD1)之间的由包含至少75体积％和至多100体积％式(IV)：M_1－x－uM′_xM″_uM_1－y－vM′_yM″_vO_3－w的化合物的材料构成的第二多孔层(CP2)，在该组件中，相邻层的化学元素中至少两种相同且一种元素不同。新型反应器用于通过天然气的氧化制造合成气。

主权项

1.以具有类似化学性质的材料的叠加层为基础的有序组件，其特征在于包含：或者： (a)-致密层(CD1)，其厚度为ED1，孔隙率不超过5体积％，所述致密层(CD1)由材料(AD1)构成，该材料包含，以其体积为100％计：(i)-至少75体积％和至多100体积％的式(I)的化合物(C1)，该化合物选自在使用温度为具有钙钛矿相氧化物离子空位的晶格形式的掺杂陶瓷氧化物：Mα1-x-uMα′xMα″uMβ1-y-vMβ′yMβ″vO3-w (I)其中：-Mα代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mα′与Mα不同，代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mα″与Mα和Mα′不同，代表选自铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)或选自碱土金属族的原子；-Mβ代表选自过渡金属的原子；-Mβ′与Mβ不同，代表选自过渡金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-Mβ″与Mβ和Mβ′不同，代表选自过渡金属、碱土族金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-0＜x≤0.5；-0≤u≤0.5；-(x+u)≤0.5；-0≤y≤0.9；-0≤v≤0.9；0≤(y+v)≤0.9；且-w使得所述结构是电中性的；(ii)-任选地，最多达25体积％的化合物(C2)，其与化合物(C1)不同，或者选自氧化物型材料，例如氧化硼、氧化铝、氧化镓、二氧化铈、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化镁或氧化钙，优选选自氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)或二氧化铈(CeO2)；锶-铝混合氧化物SrAl2O4或Sr3Al2O6；钡-钛混合氧化物(BaTiO3)；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；铝和/或镁硅酸盐，例如富铝红柱石(2SiO2.3Al2O3)、堇青石(Mg2Al4Si5O18)或尖晶石相MgAl2O4；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；钙的磷酸盐及其衍生物，例如羟磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2或磷酸三钙Ca3(PO4)2；或钙钛矿型材料，例如La0.5Sr0.5Fe0.9Ti0.1O3-δ、La0.6Sr0.4Fe0.9Ga0.1O3-δ、La0.5Sr0.5Fe0.9Ga0.1O3-δ 或La0.6Sr0.4Fe0.9Ti0.1O3-δ；或者选自非氧化物型材料，优选选自碳化物或氮化物，例如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)、“铝氧氮化硅”(SiAlON)；或者选自镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、或铑(Rh)；这些各种类型材料的金属合金或混合物；和(iii)-任选地，最多达2.5体积％的化合物(C1-2)，其由至少一种下式所示的化学反应制成：xFC1+yFC2→zFC1-2，在该公式中，FC1、FC2和FC1-2代表化合物(C1)、(C2)和(C1-2)各自的原式，且x、y和z代表大于或等于0的有理数；(b)-多孔层(CP1)，其厚度为EP1，体积孔隙率为20％至80％，与所述致密层(CD1)相邻，所述多孔层(CP1)由材料(AP1)构成，该材料包含，以其体积为100％计：(i)-至少75体积％和至多100体积％的式(II)的化合物(C3)，该化合物选自在使用温度为具有钙钛矿相氧化物离子空位的晶格形式的掺杂陶瓷氧化物：Mγ1-x-uMγ′xMγ″uMδ1-y-vMδ′yMδ″vO3-w (II)其中：-Mγ代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mγ′与Mγ不同，代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mγ″与Mγ和Mγ′不同，代表选自铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)或选自碱土金属族的原子；-Mδ代表选自过渡金属的原子；-Mδ′与Mδ不同，代表选自过渡金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-Mδ″与Mδ和Mδ′不同，代表选自过渡金属、碱土族金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-0＜x≤0.5；-0≤u≤0.5；-(x+u)≤0.5；-0≤y≤0.9；-0≤v≤0.9；-0≤(y+v)≤0.9；且-w使得所述结构是电中性的；(ii)-任选地，最多达25体积％的化合物(C4)，其与化合物(C3)不同，或者选自氧化物型材料，例如氧化硼、氧化铝、氧化镓、二氧化铈、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化镁或氧化钙，优选选自氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)或二氧化铈(CeO2)；锶-铝混合氧化物SrAl2O4或Sr3Al2O6；钡-钛混合氧化物(BaTiO3)；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；铝和/或镁硅酸盐，例如富铝红柱石(2SiO2.3Al2O3)、堇青石(Mg2Al4Si5O18)或尖晶石相MgAl2O4；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；钙的磷酸盐及其衍生物，例如羟磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2或磷酸三钙Ca3(PO4)2；或钙钛矿型材料，例如La0.5Sr0.5Fe0.9Ti0.1O3-δ、La0.6Sr0.4Fe0.9Ga0.1O3-δ、La0.5Sr0.5Fe0.9Ga0.1O3-δ 或La0.6Sr0.4Fe0.9Ti0.1O3-δ；或者选自非氧化物型材料，优选选自碳化物或氮化物，例如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)、“铝氧氮化硅”(SiAlON)；或者选自镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、或铑(Rh)；这些各种类型材料的金属合金或混合物；和(iii)-任选地，最多达2.5体积％的化合物(C3-4)，其由至少一种下式所示的化学反应制成：xFC3+yFC4→zFC3-4，在该公式中，FC3、FC4和FC3-4代表化合物(C3)、(C4)和(C3-4)各自的原式，且x、y和z代表大于或等于0的有理数；(c)和催化层(CC1)，其能够促进甲烷被气态氧不完全氧化成一氧化碳和氢的反应，所述催化层(CC1)的厚度为EC1，体积孔隙率为20％至80％，与所述致密层(CD1)相邻并由材料(AC1)构成，该材料包含，以其体积为100％计：(i)-至少10体积％和至多100体积％的式(III)的化合物(C5)，该化合物选自在使用温度为具有钙钛矿相氧化物离子空位的晶格形式的掺杂陶瓷氧化物：Mε1-x-uMε′xMε″uMη1-y-vMη′yMη″vO3-w (III)其中：-Mε代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mε′与Mε不同，代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mε″与Mε和Mε′不同，代表选自铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)或选自碱土金属族的原子；-Mη代表选自过渡金属的原子；-Mη′与Mη不同，代表选自过渡金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-Mη″与Mη和Mη′不同，代表选自过渡金属、碱土族金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-0＜x≤ 0.5；-0≤u≤0.5；-(x+u)≤0.5；-0≤y≤0.9；-0≤v≤0.9；-0≤(y+v)≤0.9；且-w使得所述结构是电中性的；(ii)-任选地，最多达90体积％的化合物(C6)，其与化合物(C5)不同，选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)或这些金属的混合物，任选地，以所述金属或金属混合物的0.1重量％至60重量％的量沉积在氧化物或非氧化物陶瓷载体上，所述陶瓷载体：或者选自氧化物型材料，例如氧化硼、氧化铝、二氧化铈、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化镁或氧化钙，优选选自氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)或二氧化铈(CeO2)；铝和/或镁硅酸盐，例如富铝红柱石(2SiO2.3Al2O3)、堇青石(Mg2Al4Si5O18)或尖晶石相MgAl2O4；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)或钙-铝混合氧化物(CaAl12O19)；钙的磷酸盐及其衍生物，例如羟磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2或磷酸三钙Ca3(PO4)2；或钙钛矿型材料，例如La0.5Sr0.5Fe0.9Ti0.1O3-δ、La0.6Sr0.4Fe0.9Ga0.1O3-δ、La0.5Sr0.5Fe0.9Ga0.1O3-δ或La0.6Sr0.4Fe0.9Ti0.1O3-δ；或者选自非氧化物型材料，优选选自碳化物或氮化物，例如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)、“铝氧氮化硅”(SiAlON)；(iii)-任选地，最多达2.5体积％的化合物(C5-6)，其由至少一种下式所示的化学反应制成：xFC5+yFC6→zFC5-6，在该公式中，FC5、FC6和FC5-6代表化合物(C5)、(C6)和(C5-6)各自的原式，且x、y和z代表大于或等于0的有理数；由此构成了由三层连续层{(CC1)、(CD1)、(CP1)}构成的组件E1，其中：-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少两种与化合物(C5)中实际存在的化学元素Mε、Mε′、Mε″、Mη、Mη′或Mη″中的两种相同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少一种与化合物(C5)中实际存在的化学元素Mε、Mε′、Mε″、Mη、Mη′或Mη″中的一种不同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少两种与化合物(C3)中实际存在的化学元素Mγ、Mγ′、Mγ″、Mδ、Mδ′或Mδ″中的两种相同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少一种与化合物(C3)中实际存在的化学元素Mγ、Mγ′、Mγ″、Mδ、Mδ′或Mδ″中的一种不同；或者：(a)-如上定义的致密层(CD1)，其厚度为ED1；(b)-如上定义的多孔层(CP1)，其与所述致密层(CD1)相邻，厚度为EP1；(c)-如上定义的催化层(CC1)，其厚度为EC1；和(d)-第二多孔层(CP2)，其插在所述催化层(CC1)和所述致密层(CD1)之间，厚度为EP2，体积孔隙率为20％至80％，所述多孔层(CP2)由材料(AP2)构成，该材料包含，以其体积为100％计：(i)-至少75体积％和至多100体积％的式(IV)的化合物(C7)，该化合物选自在使用温度为具有钙钛矿相氧化物离子空位的晶格形式的掺杂陶瓷氧化物：Mθ1-x-uMθ′xMθ″uMκ1-y-vMκ′yMκ″vO3-w (IV)其中：-Mθ代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mθ′与Mθ不同，代表选自钪、钇或选自镧系、锕系或碱土金属族的原子；-Mθ″与Mθ和Mθ′不同，代表选自铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)或选自碱土金属族的原子；-Mκ代表选自过渡金属的原子；-Mκ′与Mκ不同，代表选自过渡金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-Mκ″与Mκ和Mκ′不同，代表选自过渡金属、碱土族金属、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、铅(Pb)或钛(Ti)的原子；-0＜x≤0.5；-0≤u≤0.5；-(x+u)≤0.5；-0≤y≤0.9；-0≤v≤0.9；-0≤(y+v)≤0.9；且-w使得所述结构是电中性的；(ii)-任选地，最多达25体积％的化合物(C8)，其与化合物(C7)不同，或者选自氧化物型材料，例如氧化硼、氧化铝、氧化镓、二氧化铈、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化镁或氧化钙，优选选自氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)或二氧化铈(CeO2)；锶-铝混合氧化物SrAl2O4或Sr3Al2O6；钡-钛混合氧化物(BaTiO3)；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；铝和/或镁硅酸盐，例如富铝红柱石(2SiO2.3Al2O3)、堇青石(Mg2Al4Si5O18)或尖晶石相MgAl2O4；钙-钛混合氧化物(CaTiO3)；钙的磷酸盐及其衍生物，例如羟磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2或磷酸三钙Ca3(PO4)2；或钙钛矿型材料，例如La0.5Sr0.5Fe0.9Ti0.1O3-δ、La0.6Sr0.4Fe0.9Ga0.1O3-δ、La0.5Sr0.5Fe0.9Ga0.1O3-δ 或La0.6Sr0.4Fe0.9Ti0.1O3-δ；或者选自非氧化物型材料，优选选自碳化物或氮化物，例如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)、“铝氧氮化硅”(SiAlON)；或者选自镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、或铑(Rh)；这些各种类型材料的金属合金或混合物；和(iii)-任选地，最多达2.5体积％的化合物(C7-8)，其由至少一种下式所示的化学反应制成：xFC7+yFC8→zFC7-8，在该公式中，FC7、FC8和FC7-8代表化合物(C7)、(C8)和(C7-8)各自的原式，且x、y和z代表大于或等于0的有理数，由此构成由四层连续层{(CC1)、(CP2)、(CP1)、(CP1)}构成的组件E2，其中：-化合物(C7)中实际存在的化学元素Mθ、Mθ′、Mθ″、Mκ、Mκ′或Mκ″中的至少两种与化合物(C5)中实际存在的化学元素Mε、Mε′、Mε″、Mη、Mη′或Mη″中的两种相同；-化合物(C7)中实际存在的化学元素Mθ、Mθ′、Mθ″、Mκ、Mκ′或Mκ″中的至少一种与化合物(C5)中实际存在的化学元素Mε、Mε′、Mε″、Mη、Mη′或Mη″中的一种不同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少两种与化合物(C7)中实际存在的化学元素Mθ、Mθ′、Mθ″、Mκ、Mκ′或Mκ″中的两种相同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少一种与化合物(C7)中实际存在的化学元素Mθ、Mθ′、Mθ″、Mκ、Mκ′或Mκ″中的一种不同；-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少两种与化合物(C3)中实际存在的化学元素Mγ、Mγ′、Mγ″、Mδ、Mδ′或Mδ″中的两种相同；和-化合物(C1)中实际存在的化学元素Mα、Mα′、Mα″、Mβ、Mβ′或Mβ″中的至少一种与化合物(C3)中实际存在的化学元素Mγ、Mγ′、Mγ″、Mδ、Mδ′或Mδ″中的一种不同。