[发明专利]氧化反应器和氧化方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化反应器和适于操作所述反应器的氧化方法，所述 反应器中设置多个气密性和氧传导性膜元件，所述膜元件的外表面设 置在可填充催化剂的反应腔的侧面上且可透过含氧气体的膜元件构成 所述反应器的分配腔和收集腔和/或排放段之间的空间连接。所述反应 器的特征在于利用一个或几个间隔元件确保在所述膜元件的外表面和 所述反应腔的催化剂之间特定的最小距离。

背景技术

制备合成气，即主要组分为CO和H₂(根据制备和净化步骤，还可 能含有其它组分如CO₂、H₂、N₂和惰性成分)的气体混合物，主要按照 现有技术的两种方法进行：

烃(例如甲烷)及衍生化合物按照下式(1)吸热蒸汽重整

Δ_RH⁰₂₉₈＝206kJ/mol    (1)，

以及利用氧气在部分氧化中(至少在形式上)按照下式(2)直接转 化这些化合物：

CH₄+¹/₂O₂→CO+2H₂   Δ_RH⁰₂₉₈＝-36kJ/mol    (2)。

部分氧化所需要的氧气例如可以来自低温空气分馏装置。

在用于制备合成气的现有技术的蒸汽重整情况下，主要缺点是由 于高的投资成本及装置操作过程中释放大量的热。但对于按照式(2) 的部分氧化，使用昂贵氧气的必要性亦应被认为是缺点，因为所述氧 气是由单独的空气分馏装置提供的。由于不希望在后续的合成气中含 有氮气，因此不能添加空气作为氧化介质。

如果可能不需要附加工艺步骤而添加制备合成气所需的氧气，即 利用混合传导膜直接将氧气进料加入到氧化反应器中，则即使是空气 也可以用作所需O₂的原料，这将具有真正的经济效益。

在这方面，实验室规模的工艺是已知的，其使用带有所谓的混合 传导膜的反应器用于制备合成气。这些用于提供氧气的混合传导材料 仍处于研发阶段，其是在适当的操作条件下在各种情况下对电子和氧 离子都具有明显传导能力的化合物。因此只对氧离子传导而对电子不 传导且需要通过外部电源电路保证电荷平衡的材料重要性不大。

若将这种类型的混合传导材料用于形成气密性或几乎气密性的膜 然后被加热到操作温度，可以在膜两侧之间具有氧分压梯度的条件下 利用晶格缺陷点，根据该分压梯度通过膜实现氧通量，

进料侧：O₂+4e^-→2O^2-   (3)

渗透侧：2O^2-→O₂+4e^-   (4)

释放到反应腔中渗透侧的各O₂分子将释放4e^-的电荷，其与氧通量 逆流输送到进料侧。

在这种情况下，氧的输送是以离子形式进行的，即所述膜对于氧 的理论选择性是无限的。因此，对于无缺陷的膜和使用空气作氧供体 介质时可以将氧气与其余空气组分如氮气分离开。

按照上述信息，现有技术中已知可以利用借助于混合传导膜分隔 成两个腔或区域的反应器，借助于氧传导材料进行氧化反应。在操作 过程中，将氧气提供性气体和气体混合物进料到膜或膜组件的一侧， 而膜的另一侧(下文称为外表面或渗透侧)为待氧化的介质。例如，US 5820665A描述了这种膜反应器的使用。氧气提供性气体通常为水蒸气、 CO₂或优选空气。在操作过程中，氧从具有高氧分压的一侧渗透通过所 述膜，然后与存在于相对侧的可氧化介质反应。在制备合成气的情况 下，优选的可氧化介质是烃如甲烷和具有高甲烷含量的天然气，通常 添加水蒸气来防止结焦。

由于氧气稳定地在渗透侧反应，因此渗透侧的氧分压低于进料侧 的氧分压，从而使得更多的氧气继续渗透。这就是具有或多或少不确 定压力的空气可用于进料侧而同时在渗透侧有明显较高的压力的原 因。作为供料侧压力下限值，供料侧氧分压必须高于渗透侧的氧分压。