CN103764550A - 用于将热传递至催化/过程反应器的氧输送膜系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于产生在合成气生产过程中使用的热的方法和设备。公开的方法和设备包括多个管状氧输送膜元件，其适于从接触膜元件的渗余侧的含氧流分离氧。透过的氧与接触管状氧输送膜元件的透过侧的含氢合成气流一起燃烧，从而生成反应产物流和辐射热。本方法和设备还包括含有催化剂来促进蒸汽重整反应的至少一个催化反应器，其中催化反应器由多个管状氧输送膜元件围绕。催化反应器与将热辐射至催化反应器的多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5。

Description

用于将热传递至催化/过程反应器的氧输送膜系统及方法
技术领域
本发明提供了一种用于产生辐射热的方法及设备，该辐射热在合成气生产过程或其它催化反应器过程中使用，且更具体地，用于甲醇生产过程或合成燃料生产过程的合成气生产中。更具体而言，本方法和设备使用设置成邻近或围绕催化重整反应器的多个管状氧输送膜元件，其中透过的氧与接触管状氧输送膜元件的透过侧的含氢合成气流一起燃烧，从而生成足以促进期望的催化反应来产生合成气的辐射热。 
背景技术
生产含有氢和一氧化碳的合成气以用于多种工业应用，例如，氢生产、化学制品生产和合成燃料生产。通常，合成气在燃烧重整器中生产，在燃烧重整器中，天然气和蒸汽在填充有催化剂的重整器管中重整成合成气。在重整器管内发生的蒸汽甲烷重整反应的吸热加热要求由燃烧器提供，燃烧器向由部分天然气供燃料的熔炉喷火(fire)。为了增大合成气的氢含量，合成气可经受水-气转换反应来使合成气中的剩余蒸汽与一氧化碳反应。
此类蒸汽甲烷重整器被优化以用于氢生产，且取决于反应物流中的二氧化碳量，通常用含有1.5至3.5的蒸汽与碳的比率的碳氢化合物和蒸汽的反应物流来供给重整器，从而产生3或更高的氢与一氧化碳的比率的合成气。这对于用于诸如费托合成（Fisher-Tropsch)或甲醇合成中的合成燃料生产的合成气的生产不是最优的，在费托合成或甲醇合成中，合成气内1.8至2.0的氢与一氧化碳的比率是更期望的。如此，在合成燃料生产是合成气的期望用途的情况下，通常使用自热重整器，其中反应物的蒸汽与碳的比率通常在0.5至0.6之间。在此反应器中，氧用于使部分进料燃烧来产生附加的蒸汽和热以将进料中含有的碳氢化合物重整成合成气。因此，对于大规模设施，可能需要空气分离设备来供应氧。
如可认识到的那样，生产合成气的常规方法(如上文已经描述的那些)是昂贵的且涉及复杂的设施。为了克服此类设施的复杂性和费用，已经提出在反应器内生成合成气，该反应器使用氧输送膜来供应氧，且从而生成支持蒸汽甲烷重整反应的吸热加热要求所需的热。典型的氧输送膜具有致密层，尽管该致密层对于空气或其它含氧气体是不透的，但当经受升高的操作温度和跨膜的氧局部压差时其将输送氧离子。这种氧局部压差可通过压缩供应的空气来产生或来自于供给至膜的透过侧的碳氢化合物的燃烧，且该燃烧由透过的氧来支持，或这两种方法的组合。
例如，在美国专利第6,048,472号和美国专利第 6,110,979中，反应物气体(reactant gas)进料与蒸汽组合。反应物气体进料可为天然气、石脑油（naptha）或其它含有碳氢化合物的气体。然后，该组合的进料流被加热且引入绝热预重整器中，以产生中间蒸汽，中间蒸汽含有一氧化碳、二氧化碳、蒸汽、氢和甲烷。中间流可与二氧化碳和蒸汽组合。所得的反应物流(reactant stream)然后与空气一起分别引入氧输送膜重整器的反应物侧和氧化剂侧(oxidant side)中。氧输送膜重整器具有将重整器的反应物侧和氧化剂侧分开的氧输送膜。反应物气体与已经透过氧输送膜的氧反应，以产生合成气。作为优选，重整催化剂应用于氧输送膜的反应物侧表面的至少一部分或装入反应物侧来促进重整反应。
美国专利第6,114,400号公开了一种整合的系统，其中氧输送膜重整器连接到诸如费托反应器的下游反应器上，以产生液体产物。在所有这些专利中，预重整阶段的存在将防止存在于反应物进料流中的高阶(high order)碳氢化合物的分解，并且如果高阶碳氢化合物被直接供给至反应器，则将另外出现所得的碳沉积。此类碳沉积将使结合氧输送膜反应器所使用的重整催化剂劣化(degrade)。
美国专利第6,296,686号公开了一种反应器，其中热供应至通过氧输送膜与空气通路分开的反应通路内的吸热重整反应。反应物气体(例如，流过反应通路的甲烷)与透过的氧燃烧，以提供热来支持重整反应。另外的热通过使燃料与渗余物(retentate)燃烧或使燃料与由另一个氧输送膜产生或在燃烧通路内的第二渗透物燃烧来供应至重整反应。作为备选，氧输送膜可位于空气通路与燃烧通路之间，且阻挡层(barrier)位于燃烧通路与反应通路之间。在此情况下，氧输送膜供应氧渗透物来支持燃烧通路中的燃料的燃烧，且从而生成传递至反应通路的热。
美国专利申请序列号2008/0302013公开了一种分级式(staged)反应器系统，其具有按顺序布置的反应器级来产生合成气产物。各个反应器级具有通过氧输送膜与反应物侧分开的氧化剂侧。反应物侧联结在一起，以便含有甲烷和蒸汽的反应物流被引入系统中，且与透过膜的氧按顺序反应，以产生在诸如费托反应器的下游反应器中使用的合成气产物。催化剂床可位于反应器级的反应物侧内，或可定位在反应器级之间。来自于使用合成气的下游过程的蒸汽和反应物气体两者可在级之间被引入进料中。多级的存在允许各个反应级内的温度受控制以防止氧输送膜劣化且以控制遍及膜系统的烟灰(soot)沉积。
美国专利申请序列号2006/0029539公开了可使用氧输送膜的分级式反应器系统的其它实例，其中供给至各个级的空气或其它含氧流可受控制以控制可在合成气的生产中获得的温度和交互（conversation）。
所有上文提到的现有技术的系统的问题在于，氧输送膜将在大约900℃至1100℃的高温下操作。在诸如甲烷和其它高阶碳氢化合物等碳氢化合物经受此温度的情况下，将发生碳的形成。此外，在氧通过氧输送膜直接地供应至反应器的情况下，则膜的表面面积遍布反应器地分布。如此，遍布整个反应器的氧的分布是不均匀的。换言之，在反应器的入口处或附近，通常无法获得足量的氧。这还导致了入口处加重的碳形成问题，尤其在低蒸汽与碳的比率的情况下。无论如何，含有甲烷和蒸汽的反应物将产生跨膜的相对较低的氧通量，导致此类反应器所需的膜面积较大，且这将增加此反应器或系统中的费用和复杂性。此外，必须周期性地替换蒸汽甲烷重整催化剂。在催化剂在氧输送膜附近使用的现有技术反应器设计中，催化剂替换变为昂贵的或不可实践的工作。
在一个或多个方面中，本发明提供了一种方法和设备，其中氧输送膜未直接地用于使反应物进料的蒸汽和甲烷成分反应，而是生成支持分开的反应器内的蒸汽甲烷重整反应的吸热加热要求所需的热，因此克服了上文提到的问题。 
发明内容
本发明可特征化为一种用于产生在合成气生产过程中使用的热的氧输送膜模块。该模块包括多个管状氧输送膜元件，管状氧输送膜元件各自具有位于外表面上的透过侧和位于管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧。管状氧输送膜元件构造成或适于从接触膜元件的渗余侧的含氧流分离氧，且在膜元件的透过侧上产生氧。透过的氧与接触管状氧输送膜元件的透过侧的含氢合成气流一起燃烧，从而生成辐射热、反应产物流和渗余物流。本模块还包括设置成邻近多个管状氧输送膜元件的至少一个催化反应器。作为优选，中心反应器包括含有催化剂来促进蒸汽甲烷重整反应的至少一个反应器管，且中心反应器管由多个管状氧输送膜元件围绕。催化反应器或反应器管构造成或适于接收反应产物流、含碳氢化合物的反应物蒸汽和辐射热，且在存在辐射热的情况下使反应产物流与含碳氢化合物的反应物流反应来产生合成气流。催化反应器与将热辐射至催化反应器的多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5。
在本发明的一个实施例中，该模块还包括：连接到多个管状氧输送膜元件中的一个或多个上的至少一个入口歧管，连接到多个管状氧输送膜元件中的一个或多个上的至少一个出口歧管。入口歧管构造成或适于将含氢合成气流引至管状氧输送膜元件的透过侧，且将含氧流引至管状氧输送膜元件的渗余侧，而出口歧管构造成接收含蒸汽的反应产物流；且其中出口歧管连接到至少一个反应器管的入口上以将反应产物流输送至反应器管。在该实施例中，出口歧管与含碳氢化合物流进一步流体联接，来与反应产物流和可选的蒸汽混合，以形成组合流，组合流输送至反应器管来经历蒸汽甲烷重整反应。
另一方面，本发明可特征化为一种用于生产合成气的方法，包括以下步骤：(i)利用多个管状氧输送膜元件来从含氧流分离氧，多个管状氧输送膜元件各自具有位于外表面上的透过侧和位于管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧，含氧流接触膜元件的渗余侧，且在渗余侧上产生分离的氧；(ii)使透过的氧与接触管状氧输送膜元件的透过侧的含氢合成气流一起燃烧来生成辐射热、反应产物流和渗余物流；(iii)使反应产物流与含碳氢化合物的反应物蒸汽组合且将蒸汽加至含氢合成气流、反应产物流或组合流来形成含蒸汽的组合流；(iv)在辐射热存在的情况下使含蒸汽的组合流在至少一个催化反应器中反应来产生合成气流，优选为其中辐射热将催化反应器中的反应的温度保持在大约900℃至大约1100℃之间；以及(v)使产生的合成气的一部分再循环来形成含氢合成气流。催化反应器设置成邻近多个管状氧输送膜元件，使得催化反应器与将热辐射至催化反应器的多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5。可选的是，本方法还可包括将二氧化碳输入加至反应物流或含蒸汽的组合流的步骤。
在公开的方法的一个实施例中，合成气用于甲醇生产过程，其中组合流具有大约0.5至0.6之间的蒸汽与碳的比，且合成气具有大约1.8至2.0之间的氢与一氧化碳的比。作为备选，合成气用于合成燃料生产过程(例如，费托过程)，其中组合流具有大约0.5至0.6之间的蒸汽与碳的比，且合成气具有大约1.8至2.0之间的氢与一氧化碳的比。如本文所述，控制组合流的蒸汽与碳的比和合成气的氢与一氧化碳的比优选为通过调整加至各种流的蒸汽和/或二氧化碳来实现。
例如，补充的蒸汽流可引入含氢流和反应物流中的至少一者中。类似地，二氧化碳流可引入加热的反应产物流、反应物流、含氢流和组合流中的至少一者中来在催化反应器内获得一些干式重整。
使产生的合成气的一部分再循环来形成含氢合成气流的步骤可通过使合成气产物分成用于下游过程(如，甲醇生产或合成燃料生产)中使用的第一部分和再循环至氧输送膜元件的透过侧的合成气流的第二部分来实现。作为备选，当本发明构想出多个催化反应器时，不同的催化反应器可用于产生将在下游过程中使用的合成气的第一部分，和将再循环至氧输送膜元件的透过侧的合成气的第二部分。
本发明的重要特征在于渗余物流通过透过的氧与含氢合成气流的燃烧来加热，且来自于加热的渗余物流的热间接传递至至少一个催化反应器，且更优选为用于预热到来的含氧流。例如，为了间接地加热到来的含氧流，热交换器可构造成使得含氧流在引至至少一个氧输送膜元件的渗余侧之前通过与加热渗余物流间接热交换来预热。
不同于现有技术，氧输送膜用于生成热和潜在的蒸汽来用于蒸汽甲烷重整，且这些热传递至分开的催化反应器。此类布置中的主要优点在于合成气与透过的氧的燃烧是比甲烷或甲烷和高阶碳氢化合物快很多的反应。在现有技术中，通常将主要为甲烷和蒸汽的预重整流在还含有促进蒸汽甲烷重整反应的催化剂的氧输送膜的透过侧处燃烧。因此，根据本发明的反应系统可使用比现有技术的反应器小得多的氧输送膜面积。这解释了根据本发明的反应系统，其比现有技术的系统更简单且廉价，且还不易故障。此外，由于催化反应器为系统或模块内的分开的构件，故催化剂可比现有技术的系统中更容易地替换，在现有技术的系统中，催化剂直接地并入了氧输送膜元件中。
附图说明
尽管说明书以清楚地指出申请人认作是其发明的主题的权利要求作为总结，但相信本发明在结合附图时将更好地被理解，在附图中：
图1为设计成执行根据本发明的方法的设备的示意图；
图2为设计成执行根据本发明的方法的设备的备选实施例的示意图；
图3为图1中的设备的片段示意图，示出了长形隔离壳体内的氧输送膜和催化反应器的布置；
图4为图2中的设备的片段示意图，示出了长形隔离壳体内的氧输送膜和催化反应器的布置；
图5为图3的备选实施例；
图6为根据本发明的模块的透视图，其将氧输送膜管和中心反应器管并入成有利的热传递整合(integration)；
图7为图6中所示的模块中使用的氧输送膜的子组件(sub-assembly)的透视图；
图8为图6中所示的模块中使用的板状元件的底部透视图；
图9为图8中所示的板状元件使用的第一板的顶部透视图；
图10为图6的片段透视图，其中部分拆去以示出图6中的模块的内部特征；
图11为在图3中所示的长形隔离反应器壳体中使用的图6中所示的反应器模块的布置的示意性截面图；
图12为示出各种模块构造的热通量、温度、面积比和视角因数的图表；以及
图13A、图13B和图13C绘出了根据本发明的方面的热整合氧输送膜和催化/过程反应器模块的示意图。
为了避免重复，各种图中的一些公共元件使用相同的数字，其中此类元件的阐释将不会从图到图变化。  
具体实施方式
参考图1，示出了设备1，其设计成通过碳氢化合物的蒸汽甲烷重整来产生合成气产物。设备1包括一个或更多氧输送膜元件，其中，氧输送膜元件2被示出。氧输送膜元件2通过辐射和对流热传递来供应热，以供应催化反应器3的吸热加热要求，碳氢化合物和蒸汽在催化反应器3内反应来产生合成气。如本领域中公知的那样，在从700℃至1100℃的高温下，蒸汽将与甲烷反应来产出合成气，合成气含有氢和一氧化碳。如本领域中已知的催化反应器3含有催化剂(通常是镍)，以促进此蒸汽甲烷重整反应。此外，还发生水-气转换反应，其中一氧化碳将与蒸汽反应来产生二氧化碳和氢。尽管水-气转换反应为放热的，但蒸汽甲烷重整反应为吸热的，且需要将热供应至催化反应器。二氧化碳还将在所谓的干式重整反应中与甲烷反应，也产生合成气。在这点上，可出于此目的添加二氧化碳。所得的合成气为氢、一氧化碳、二氧化碳和水和其它已知组分(如本领域中称为甲烷余留的未反应甲烷)的混合物。合成气可选为在对流区段4内冷却和压缩，以产生合成气产物和再循环流，再循环流供给回氧输送膜装置2，以用于与透过的氧燃烧来生成所需的热。
如从以上论述而清楚的那样，设备1以与自热重整器类似的方式作用，其中氧加至反应物，以部分地氧化反应物中含有的一些碳氢化合物，以生成热来支持蒸汽甲烷重整器的总体吸热加热要求。这即是说，在氧输送膜装置2内发生的燃烧通常将完成至少50%，使得几乎不存在将留下来与碳氢化合物反应的分子氧，因为否则的话由氧输送膜装置2生成的热将不足以支持在催化反应器3内发生蒸汽甲烷重整反应所需的吸热加热要求。提到的另一点在于，如果在设备1内尝试如下操作，即包含在反应物内的碳氢化合物在氧输送膜装置2内燃烧，则此类反应将通常很慢，使得生成随后吸热蒸汽甲烷重整所需的热是不可实践的或是不可能的，因为碳氢化合物将不会在氧输送膜内反应至可观的程度。本发明利用了以下事实：氢和一氧化碳的氧化是特别快的反应，使得从催化反应器生成的合成气的一部分可用于生成热，同时仍允许来自于设备1的合成气产物的适当的生产速率。
更具体而言，含氧流10可借助于风机14引入热交换器12中来用于预热含氧流10的目的。热交换器12可为对流类型的热交换器或高效循环再生类型的热交换器。含氧流10可为环境空气或可能是从燃气轮机的压缩机区段放出的流。在后一种情况中，风机14和热交换器12可能不是必需的。将注意的是，不需要或甚至不期望含氧流10的压缩。风机14提供成仅促使含氧流10克服(against)由管路等产生的压降而通过设备1。加热的含氧流10然后与并入氧输送膜装置2中的氧输送膜元件18的渗余侧16接触。尽管示出了一个此类氧输送膜元件18，但如本领域的技术人员将想到的，本发明的工业应用中可存在许多此类元件，且氧输送膜装置2可为并入下文将论述的模块120中的氧输送膜管122。如还将论述的那样，氧输送膜元件18由能够在升高的操作温度下传导氧离子的陶瓷形成。氧离子沿箭头20的方向透过氧输送膜元件18至氧输送膜元件18的透过侧22。
由于氧的分离和出现在氧输送膜元件18的透过侧22处的燃烧，故加热的渗余物流24形成，在将热传递至催化反应器3之后，该渗余物流24可选地可被引入管道燃烧器26中且用于支持燃料流28的燃烧，以产生加热的烟道气(flue gas)流30，该烟道气流30被引入热交换器12中来用于通过间接热交换来预热含氧流10的目的。所得的冷却烟道气流32从热交换器12排放。尽管未示出，但如果需要，则补充空气可注入管道燃烧器26来支持燃烧。应注意的是，如下实施例是可能的，即其中未使用管道燃烧器26且渗余物流直接地引入热交换器12中来用于预热含氧流10的目的。在这点上，含氧流10可在环境温度下且未预热的情况下接触氧输送膜18的渗余侧16。然而，这将不是热学上高效的。
含氢流34被引入氧输送膜元件18的透过侧22中，其通过透过的氧的燃烧而氧化，以产生加热的燃烧产物流36。加热的燃烧产物流36与反应物流38组合来产生含有蒸汽和碳氢化合物的组合流40，组合流40被引入催化反应器3中，在该处，此流经受蒸汽甲烷重整反应以产生合成气流42。将注意的是，本发明的如下实施例是可能的，即其中反应物流仅含有诸如甲烷和低阶链烷的碳氢化合物且蒸汽仅由热燃烧产物流贡献。然而，如将论述的那样，优选的是，蒸汽加至反应物流38、加热的燃烧产物流42和含氢流34。此外，如图所示，二氧化碳流39可选地可加至反应物流38或组合流40或加热的燃烧产物流36或可能加至作为热交换器46上游的流81的含氢流34，以用于加强发生在催化反应器3内的干式重整(dry reforming)的目的。
含氢流34的燃烧产生热，热通过大体上由箭头41指出的辐射以及由接触催化反应器3的加热渗余物流24提供的对流热传递一起加热催化反应器3，以至少协助供应在催化反应器3中发生的蒸汽甲烷重整反应的吸热加热要求。如果需要，则吸热加热要求还可通过间接加热供应，该间接加热是通过使用燃烧反应物流38的一部分且在催化反应器3处燃烧的辅助燃烧器。
合成气流42含有氢、一氧化碳、蒸汽和二氧化碳，以及如上文所述的其它成分，如可能的甲烷余留。对流区段4设计成冷却合成气流42，且使合成气流的一部分再循环以形成含氢流34。实践上，所需的是在再循环风机78中使合成气流42再循环之前冷却合成气流42。对流区段4也设计成使得在合成气流的冷却中，预热各种进料流且产生过程蒸汽(process steam)。
在合成气流42的冷却中，蒸汽流43组合在合成气流42内，以产生淬冷合成气流44。作为备选，水也可加至合成气流42以将蒸汽加至该过程，且还由于用于所加的水的汽化的潜热而增大温度降低量。该步骤不但对于冷却合成气流42而且对于防止合成气在冷却时焦化都很重要。
淬冷合成气流44在对流热交换网络中逐步进一步冷却，该对流热交换网络包括热交换器46、48、50、52、54和56和水冷式热交换器58和64。在已在水冷式热交换器58中通过冷却水流59冷却之后，淬冷合成气流44分成第一部分60和第二部分62。第一部分60在水冷式热交换器64内通过冷却水流66进一步冷却，且所得的流被引入分离罐68中，冷凝物流70从分离罐68排出来产生冷却的合成气流72。冷却的合成气流72可选地在压缩机74中压缩以产生形成合成气产物的合成气产物流76。第二部分62借助于再循环风机78再循环回氧输送膜元件18的透过侧22。可选的是，第一补充蒸汽流80加至第二部分62，以形成含氢流34，含氢流34通过与淬冷合成气流44间接热交换来在热交换器46中预热。
可为天然气且更优选为已经在绝热预重整器中预重整的天然气的含碳氢化合物流82在进料压缩机84中压缩，且然后在充当燃料预热器的热交换器50中预热。将提到的是，在使用天然气的情况下，其将通常含有不可接受的高水平的硫类。尽管存在可在催化反应器3中使用的耐硫催化剂(sulfur tolerant catalyst)，但在大多数情况下，天然气将必须被氢化处理来除去硫含量。此外，由于天然气含有将在高温下分解来形成可使催化剂失效的碳的烯烃，故进入催化反应器3的流的蒸汽与碳的比率将必须小心控制以防止催化剂的焦化。在这点上，其它可能的含碳氢化合物的进料包括伴生气(associated gas)、LPG、石脑油。所得的加热流可与第二补充蒸汽流86组合，以形成反应物流38，反应物流38在热交换器48中通过与已穿过热交换器46后的淬冷合成气流44间接热交换来进一步加热。第一补充蒸汽流80和第二补充蒸汽流86通过以下形成：在给水泵90中泵送锅炉给水流88且然后使加压流穿过充当锅炉给水加热器的热交换器56，且然后穿过充当锅炉来产生饱和蒸汽的热交换器54，且最终穿过充当过热器来产生过热蒸汽流的热交换器52。饱和蒸汽流92的一部分形成蒸汽流43，且另一部分穿过热交换器52，且使其过热，且然后接着被分成第一补充蒸汽流80和第二补充蒸汽流86。
如可认识到的是，在本发明的可能应用中，在期望合成气处于高温下的情况下，对流区段4可不存在。此外，对流区段4可通过在使合成气的一部分再循环回氧输送膜的透过侧22之前提供适当手段冷却合成气来简化。例如，使用单独的或优选地结合蒸汽流43或其它淬冷流的水冷式热交换器。
参考图2，图1中所示的设备的备选实施例表示为设备1'。在设备1'中，含氢流34'通过在反应器3'中使副反应物流100反应而产生。副反应物流可为含有比供给至催化反应器3中的反应物流38的净蒸汽与碳的比率更高的蒸汽和燃料的流。反应器3'将为催化反应器，其设计成使碳氢化合物和蒸汽反应至足够的程度，使得含氢流34'为含有以不大于20体积百分比的量存在的甲烷的合成气。例如，燃料可为具有80%或更高的甲烷含量的预重整天然气，其与蒸汽反应来将甲烷含量降低至20体积百分比以下。
反应器3'可与氧输送膜元件2热整合，且如此，如由箭头41a和41b指出，热从氧输送膜元件2分别辐射至反应器3和反应器3'两者。此外，对流热传递通过由加热渗余物流24与催化反应器3和3'两者接触产生的间接热传递而发生。然而，反应器3'未与反应器3热整合的本发明的实施例是可能的。然后，合成气流42可在对流系统4中进一步处理，或可能可用于需要处于高温下的合成气流42的过程。然而，在大多数情况中，水流或蒸汽流43将被引入合成气流42中来用于降低此类流的温度的目的。此外，例如通过使用如对流系统4的对流系统，还有可能使设备1'与由反应器3产生的部分的合成气的再循环整合。还要注意的是，在存在适合的含氢流34'(如，来自于常规蒸汽甲烷重整器的氢产物流)的情况下，含氢流34'可被引入氧输送膜元件2的透过侧22中，而不使用反应器3'和副反应物流3'。然而，如上文指出的那样，含氢流34或34'或用于此目的的任何含氢流为已经充分处理以便含有不超过20体积百分比的甲烷的合成气。超过该点的甲烷的任何增大都是不利的，因为相对于氢和一氧化碳，其不会以高速反应，且这通常将导致总体氧输送的减少。此外，可存在焦化的问题。
如上文已经论述的那样，就此而论，由设备1或设备1'产生的合成气产物的氢与碳的比率是此类设备的控制的中心对象。例如，对于将费托气体直接整合至液体设备(liquid plant)而言需要合成气产物中大约2.0的氢与碳的比率。存在3个控制手柄，其将如上文所述那样影响过程和设备的氢与碳的比率。假定来自于燃料的固定碳输入和氢输入，则输入蒸汽、输入氧和输入碳(不在燃料中的)可被调整以继而又控制合成气产物中的氢与碳的比率。蒸汽可加至设备1或1'中的任何位置。这些蒸汽向该过程提供了附加的氢，且因此使蒸汽减小了合成气产物的氢与碳的比率最小化。氧通过蒸汽、二氧化碳输入，且作为跨氧输送膜18传递的分子。来自除蒸汽外的这些来源的氧输入通常将减小合成气产物的氢与一氧化碳的比率。氢输入来自于反应物流38中含有的蒸汽和氢。减少蒸汽及减小燃料的氢与碳的比率(增大碳含量)将减小合成气产物的氢与一氧化碳的比率。
并入设备1或1'中的过程设计允许蒸汽输入减少，但保持过程内的结焦的裕度（margin）。如果碳含量可在反应物流38中增大，则氢比一氧化碳可进一步减小。如上文所述，反应物流38大体上包括蒸汽和预重整的天然气。含碳气流(例如，流39)可与反应物流38组合来减小反应物流38的氢与碳的比率。在反应物流处的二氧化碳输入在减小合成气产物中的氢与碳的比率中特别有价值。流39可为从过程生成的富二氧化碳尾气(tail gas)或可被再循环，或可为从附近过程输入(imported)富二氧化碳气体。然而，虽然如此，本发明同样可适用于氢为期望的产物的情况中，且因此氢与碳的比率出于此目的而优化。
又参考图1且还参考图3，氧输送膜元件2和反应器3的热整合可在长形隔离反应器壳体110中实现，该壳体110设有设在其相对端内的相对的开口112和114。长形隔离反应器壳体110容纳氧输送膜元件2和催化反应器3，以便它们面对彼此来用于辐射热传递的目的，且还允许加热的渗余物流24接触催化反应器3。歧管116提供成用于将含氢流34引入氧输送膜元件2的透过侧22中。歧管118提供成用于将来自于透过侧22的加热燃烧产物流36与反应物流38组合，且从而形成用于引入催化反应器3中的组合流40。在图3中，尽管示出了三个此类氧输送膜元件2和反应器3，但如上文所述，取决于工业需要可存在更多此类元件和反应器。然而，作为优选，氧输送膜元件2所有都为管的形式，其中透过侧22位于管的内侧，且渗余侧16为管的外表面。如将论述的那样，此类管可为圆柱形形式，但中空板状元件也是可能的。
尽管有可能根据本发明进行如下过程，其中氧输送膜元件的渗余侧和透过侧被反转，但这将是不利的，因为这样将很难完全地燃烧合成气，且将需要长形隔离反应器壳体110为压力容器。此外，还有可能进行如下的本发明的过程，其中含氧流10被压缩来提供用于氧分离的部分驱动力。这将不是期望的，因为这样将也需要长形隔离反应器壳体110为压力容器。在这点上，所示的长形隔离反应器壳体110设计成在大气压力下操作，且因此不是压力容器。
在该所示的实施例中，含氧流10被引入开口112中，且加热的渗余物流从开口114排出。在操作中，含氧流10接触氧输送膜元件2的渗余侧16，且由于氧透过到此元件的透过侧22，故逐步变为贫氧。当含氢流34与透过的氧反应时，所得的渗余物流变为逐步被加热以将由氧输送膜元件生成的热间接传递至催化反应器3。同时，氧输送膜元件2还辐射热以也将热供应至催化反应器3。实际上，此辐射优选为构成传递的热的大约百分之80。因此，如由箭头41指出的从氧输送膜元件2到催化反应器3的传递的热通过辐射和对流两者实现。尽管还存在通过加热的燃烧产物流36与反应物流38的混合来直接传递的一些热，但此热传递比上文所述的辐射和对流热传递少得多。实际上，在所示实施例中，如果预热反应物流38，则直接热传递的重要性将可忽略。
再参考图2且还参考图4，催化反应器3和3'和氧输送膜元件2的整合被示出在长形隔离反应器壳体110'中，其以与长形隔离反应器壳体110大致相同的方式作用。主要的差别在于至少一个催化反应器3已经由催化反应器3'替换，催化反应器3'通过歧管116'连接到氧输送膜元件2上，以用于将含氢流34'引入其透过侧22中。催化反应器3'定位成以便也由如由箭头42b所示地从至少一个氧输送膜元件16的辐射热传递加热，且也通过在加热的渗余物已经加热催化反应器3之后从加热的渗余物的间接热传递来加热。 
参考图5，示出了长形隔离反应器壳体110''，其借助于隔离的传递区段114连接到管道燃烧器壳体112。长形隔离反应器壳体110''以与长形隔离反应器壳体110相同的方式起作用。在这点上，氧输送膜元件2通过辐射和传导将热传递至催化反应器3'。然而，很清楚的是，催化反应器3'比催化反应器3更长，且此反应器的延长区段延伸到管道燃烧器壳体112中，且充当精制区段来使出现在催化反应器3'内的甲烷余留经受蒸汽甲烷重整。在这点上，管道燃烧器壳体112具有入口116和位于与入口116相对的出口118。借助于传递区段114，加热的渗余物流24被引入入口116中，以支持引入管道燃烧器26中的燃料流28的燃烧，管道燃烧器26位于管道燃烧器壳体112内。如需要，燃料流28可包含支持燃烧所需程度的补充空气。由此燃烧产生的所得的热将支持突入管道燃烧器壳体112中的催化反应器3'的延伸区段内的甲烷余留的蒸汽甲烷重整反应的吸热加热要求。如上文已结合图1所述的那样，所得的加热烟道气流30'从出口118排出，且加热烟道气流30'可引入热交换器12中来用于预热含氧流10的目的。所得的合成气流42'将含有氢、一氧化碳、蒸汽和二氧化碳，但将具有低于合成气流42的甲烷浓度。合成气流42'可被淬冷来产生淬冷的合成气流44，且合成气流42'可以以如上文所述的方式在对流系统4内处理。
在图3、图4和图5中所示的本发明的实施例中，氧输送膜元件与催化反应器3或3'交错。如可认识到的那样，取决于待由设备1产生的合成气的所需输出，可存在许多此类元件。虽说如此，但重要的是优化氧输送膜元件2相对于催化反应器3的定位以用于辐射热传递的目的。换言之，从辐射热传递方面，催化反应器3必须在氧输送膜元件2的“视角”中。同时，实际上，出于可靠性和建造成本的目的，还需要使氧输送膜元件2的数目最小化。
参考图6，如上文已经所述那样，此类优化可通过将氧输送膜元件2和催化反应器3布置在诸如所示的反应器模块120的模块中来执行。在反应器模块120中，氧输送膜元件2由多个氧输送膜管122形成，氧输送膜管122围绕中心反应器管124，中心反应器管124含有催化剂以促进蒸汽甲烷重整反应，且从而形成了催化反应器3。进料组件126具有用于加热反应物流38的入口128；且如将论述那样，设计成使此流与由氧输送膜管122产生的加热燃烧产物流混合，且从而形成组合流40。如果使用若干个此类反应器模块120，则例如图3中所示的歧管118将部分地并入此结构中，以附加歧管将反应物流38分送至各个进料组件126的入口128。此外，入口130提供为用于将含氢流34引入氧输送膜管122的透过侧中。另外，在若干个反应器模块120的情况下，歧管116将连接到每个反应器模块120的每个入口130上。此外，氧输送膜管122具有管内的透过侧22，且此管的外部充当渗余侧16。合成气流42从通至反应器管124的出口132排出。如图所示，入口128和入口130可由常规气密性联接件形成，联接件以本领域中已知的气密性螺纹接合来附接到下文将论述的外进料管160和内进料管162上。
氧输送膜管122优选为并入了复合结构，该复合结构并入了致密层、多孔支承部和位于致密层与多孔支承部之间的中间多孔层。致密层和中间多孔层中的每个均能够在升高的操作温度下传导氧离子和电子来分离氧。多孔支承层因此将形成透过侧22。致密层和中间多孔层包括离子传导材料和导电材料的混合物，以分别传导氧离子和电子。离子传导材料由氟石构成。中间多孔层具有比多孔支承层更低的渗透性和更小的平均孔径尺寸，以将由致密层分离的氧朝多孔支承层分送。例如，在一个实施例中，氧输送膜元件为混合相氧离子传导致密陶瓷分离层，其包括基于氧化锆的氧离子传导相和占主导的（predominantly）电子传导钙钛矿相的混合物。该薄的致密分离层在较厚的惰性多孔支承部上实施。
在具体的实施例中，中间多孔层可具有大约10微米至大约40微米之间的厚度，大约百分之25至大约百分之40之间的孔隙度，以及大约0.5微米至大约3微米之间的平均孔径。致密层可具有大约10微米至大约30微米之间的厚度。多孔表面交换层可设有大约10微米至大约40微米之间的厚度、大约百分之30至大约百分之60之间的孔隙度，以及大约1微米至大约4微米之间的孔径，且支承层可具有大约0.5mm至大约10.0mm之间，但优选0.9mm的厚度，以及不大于50微米的孔径尺寸。中间多孔层可含有大约60重量百分比(La0.825Sr0.175) 0. 96Cr0.76Fe0.225 V0.015O3-δ、其余是10SclYSZ的混合物，致密层可由大约40重量百分比的(La0.825Sr0.175)0.94Cr0.72Mn0.26V0.02O3-X、其余是l0SclYSZ的混合物形成，且多孔表面交换层可由大约50重量百分比的(La0.8Sr0.2) 0.98MnO3-δ、其余是l0SclCeSZ的混合物形成。
催化剂颗粒或含有催化剂颗粒的前体的溶液可选地放置在中间多孔层中，以及邻近中间多孔层的较厚的惰性多孔支承部中。催化剂颗粒含有如下催化剂，其被选择成在存在氧的情况下，当从与中间多孔层相对的多孔支承部的一侧上引入多孔支承部的孔中时，促进含氢流34的氧化。催化剂可为掺杂钆的二氧化铈。此外，可提供多孔表面交换层以与中间多孔层相对的致密层相接触。在此情况下，多孔表面交换层将形成渗余侧16。支承层优选为由氟石形成，例如，3mol%的氧化钇稳定氧化锆或3YSZ。
参考图7，各个氧输送膜管122包括入口区段134和出口区段136，含氢流34引入入口区段134中，加热的燃烧产物流从出口区段136排出。应当理解的是，与透过的氧和含氢流34的反应发生在入口区段134和出口区段136两者内。入口区段134和出口区段136平行于彼此且平行于中心反应器管124，且通过"U"形管状弯头137连接到彼此上，弯头137由致密陶瓷材料如YSZ或MgO - MgAl2O4形成。氧输送膜管122连接到板状元件138上，板状元件138(以将论述的方式)充当入口歧管，以将含氢流引入入口区段134中，并且充当出口歧管，以收集热燃烧产物流36，且将此流与反应物流38一起引入中心反应器管124。
还参考图8和图9，板状元件138包括两个区段，两个区段由第一板140和第二板142形成，第一板140和第二板142以并排关系连接到彼此上。第一板140具有凸出的凸台143，各个均具有圆形凹槽144，以容纳氧输送膜管122的入口区段134和出口区段136的端部。入口区段134和出口区段136的端部通过玻璃或玻璃-陶瓷密封件如氧化钡-氧化铝-硅酸盐玻璃密封件连接到凸台143上。在这点上，第一板140和第二板142两者均由具有与氧输送膜管122类似的热膨胀性能的陶瓷制成，例如，3YSZ或Mgo -MgAl2O4。
成对的轴向开孔146和148分别形成至氧输送膜管122的入口区段134和出口区段136的入口通路和出口通路。限定在第一板140的表面中的凹槽150和152的径向布置分别形成入口通路和出口通路。凹槽150和152与开孔146和148连通，以形成至氧输送膜管122的入口区段134和出口区段136的入口通路和出口通路。这些元件充当至氧输送膜管122的入口歧管和出口歧管。当第二板142附连到第一板140上时，凹槽150和152由此板覆盖，且从而形成入口通路和出口通路。第一板140和第二板142可与上文所述类型的玻璃陶瓷密封件连接，或与易变的造孔剂一起燃烧来形成凹槽150和152或其它内部歧管状通路。作为备选，歧管板140和142可由一个单块陶瓷形成。以将论述的方式，第一板140设有至凹槽152的出口开口154，加热的燃烧产物流从凹槽152排放至中心反应器管124。通过简要参考图7，且以下文还将进一步论述的方式，含氢流34经由限定在第二板142中的入口开口156供给至入口通路146。当第一板140附连到第二板142上时，入口开口156挖(registry)在凹槽150内。将注意的是，尽管凹槽150和152提供成V字状构造，但组成此类凹槽的节段可为并非如此连接的节段。这样的缺点在于将必须提供更多的入口开口156和出口开口154。
参考图10，入口组件126具有以将论述的方式连接到第二板142上的入口气室(plenum)158。外进料管160连接到入口气室和入口130上，以将含氢流34供给至入口气室158中。入口气室158与第二板142中的入口开口156连通，以将含氢流供给至凹槽150中，且因此供给至氧输送膜管122的入口区段134中。内进料管162同轴地定位在外进料管160内，且穿过入口气室158延伸至中心反应器管124的入口区域164。出口开口154与中心反应器管124的入口区域164连通，其中来自于氧输送膜管122的加热的燃烧产物流36与反应物流38混合来形成组合流40，组合流40供给至中心反应器管124内含有的蒸汽甲烷重整催化剂168中，以反应且形成合成气流42，合成气流42从中心反应器管162排出。重整催化剂168可为本领域中已知的珠状或蜂窝状整料的形式，其位于中心反应器管124的管状部分179内。作为优选，内板172中的限定部170定位在内进料管162的端部下方，且多孔板174直接位于内板172下方，以确保反应物流38和加热的燃烧产物流36的混合。内板172通过支柱175连接到多孔板174上。
中心反应器管124设有具有螺柱178的凸缘176，其连接到含有催化剂168的中心反应器管124的管状部分179上。柱178穿过第一板140内的开口180、第二板142和连接到气室158上的圆形凸缘182。拧到柱178上的螺母184将组件保持就位。内进料管162通过压配合连接到管嘴186上，且管嘴186继而又压配合穿过分别限定在第一板140和第二板142中的中心开口188和190。管嘴186设有肩部187，肩部187压紧肩部187与第一板140之间的垫圈状密封件192。密封件192可由陶瓷毡形成，陶瓷毡可为蛭石(vermiculate)和矾土的混合物。管嘴186和密封件192的该布置从而以气密性方式将内部进料管162连接到中心反应器管124上。此外，入口气室158的凸缘182以气密性方式通过提供填充气体的环类密封件194来密封于第二板142，密封件194在凸缘182与第二板142之间被压紧。类似的气体填充的环类密封件196在中心反应器管124的凸缘178与第一板140之间被压紧来以气密性方式使中心反应器管124密封于第一板140上。
将注意的是，外进料管160、内进料管163和气室158可全都由含有铬的金属形成，例如，不锈钢或镍基超级合金。
中心反应器管124的管状部分179也优选由含有铬的金属形成，例如，不锈钢或镍基超级合金。在此情况下，可施加涂层，涂层充当阻隔层，以防止铬转移且随后在金属表面处挥发。这些挥发物类将与氧输送膜管122反应，且使性能劣化。此类涂层可为在表面处提供抗氧化和铬阻隔两者的致密的氧化铝层或尖晶石((Mn0.5Co0.5)3O4)的涂层。作为备选，具有超过百分之3的铝的高铝含量合金将在含有氧的高温气氛中形成氧化铝层。另一种可能性在于在铝化镍(Ni3Al)的已知高温的气相扩散过程中施加此类阻隔涂层。这在金属的表面上产生了均匀的致密的且永久性的金属结合层。在高温下的氧化气氛中，氧化铝的保护层将形成在金属表面上。
如上文提到那样，中心重整器管124通过辐射热交换作为主导模式来与氧输送膜管122热耦合。重整器管表面的发射率为这种耦合的效率中的重要因素。基底金属或氧化铝涂层具有太低的表面发射率。一般而言，涂层可用于提高表面处的发射率。因此，除阻隔层涂层之外，稳定的高温涂层(优选氧化铈涂层)也可施加到中心重整器管124的管状部分179，其将在表面处提供高发射率，且还不与氧输送膜管122反应。
参考图11，示出了模块120的布置，其可定位在图3中所示的长形隔离反应器壳体110内。在如图4中所示使用催化反应器3'的情况下，此类催化反应器3'可为并入上文所述的涂层且定位在反应器模块120之间的管的形式。图11中的模块以如下方式布置，即使得氧输送膜管122与中心重整器管124之间的辐射热传递（同样考虑发生的少量的对流热传递）足以提供在中心重整器管124内发生的吸热重整反应所需的热通量。在图11中所示的构造中，各个中心重整器管124与面对各个具体中心重整器管124且将热辐射至其上的所有氧输送膜管122之间的视角因数优选为大于或等于0.5。
除优选的视角因数外，如上文所述和图12中图解所示，另一个关键系统设计参数为面积比。该面积比表示为负载(例如，中心重整器管)的面积比上辐射氧输送膜元件的面积，该面积比应当优选等于或大于大约0.60，且更优选等于或大于大约0.75，且最优选大约1.0(见图12)。
应注意的是，即使在不使用模块且存在氧输送膜元件和催化反应器的布置的情况下，该布置也应优选为并入此视角因数和面积比以便在工业环境中使用本发明。如果未使用此类视角因数和面积比，则根据本发明的所得反应器尽管能够制造合成气，但将很可能不能提供足以在目标温度下操作蒸汽重整反应以便产生适于特定下游过程的具有一定氢与一氧化碳的比和甲烷余留的合成气的期望的辐射热。
应当注意的是，用语"视角因数"为本领域中已知的量，其限定离开表面到达另一个表面的总能量的一部分（fraction）。视角因数在用于确定辐射热传递的等式中使用。在本领域中公知的该等式为：
Figure 2012800429251100002DEST_PATH_IMAGE001
其中q 12 为表面1和2之间的辐射热传递，ε为发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，A 2 为表面2的面积，F 21 为从表面2到表面1的视角因数，T 1 为表面1的绝对温度，且T 2 为表面2的绝对温度。
在广义上，还可将本发明特征化为用于热整合氧输送膜和催化/过程反应器的系统和方法。如图13中所示，氧输送膜系统202优选构造为多个管状氧化输送膜元件以从接触氧输送膜元件218的渗余侧216的含氧流如空气210分离氧，且在氧输送膜元件218的透过侧222上产生氧。透过的氧与也接触氧输送膜元件218的透过侧222的含氢合成气流234一起燃烧，从而生成辐射热241、反应产物流236和加热的渗余物流224。
在所有所示的实施例中，加热的渗余物流224为去氧流，且用于在热交换器212中预热氧输送膜202上游的到来的含氧流210，且产生冷却的去氧流232。
辐射热241提供或引导至设置成与氧输送膜系统202成紧密或邻近关系的催化或过程反应器203,204,205。如图13中所示，催化或过程反应器的实例包括：(i)蒸汽重整催化反应器202，其构造成在辐射热241存在的情况下接收由反应产物流236、含碳氢化合物的反应物蒸汽238和蒸汽243组成的组合流240来产生合成气流242；(ii)过程加热器204，其构造成在辐射热241存在的情况下加热或部分地氧化合成气进料250，以产生加热的合成气流252；以及(iii)锅炉或蒸汽管205，其构造成在辐射热241存在的情况下使锅炉给水260转变成蒸汽流262。
如上文参照图12所述，催化或过程反应器(例如，中心过程管)与将热辐射至过程管或反应器的多个管状氧输送膜元件之间的视角因数和面积比为重要的设计参数。取决于接收辐射热的过程反应器，视角因数优选大于或等于0.5，而面积比应当优选等于或大于大约0.60，且更优选等于或大于大约0.75，且最优选为大约1.0。
在本发明中使用的氧输送膜元件的重要特征在于其包括混合相氧离子传导相和电子传导钙钛矿相。更具体而言，氧输送膜元件为混合相氧离子传导致密陶瓷分离层，其包括设置在惰性的多孔耐火支承层上的基于氧化锆的氧离子传导相和占主导的电子传导钙钛矿相的混合物。
尽管已经联系优选实施例来以各种方式特征化并描述了本发明，但如本领域的技术人员将想到的那样，可在不脱离如所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围的情况下做出对于本发明的许多添加、改变和修改。

Claims (24)

1. 一种用于产生在合成气生产过程中使用的热的氧输送膜模块，所述模块包括：
多个管状氧输送膜元件，其各自具有位于所述管状氧输送膜元件的外表面上的透过侧和位于所述管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧，所述管状氧输送膜元件构造成从接触所述多个管状氧输送膜元件的所述渗余侧的含氧流分离氧，且在所述管状氧输送膜元件的所述透过侧上产生氧，且使所述透过的氧与接触所述管状氧输送膜元件的所述透过侧的含氢合成气流一起燃烧，从而生成辐射热、含蒸汽的反应产物流和渗余物流；
至少一个催化反应器，其设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件，且构造成接收所述含蒸汽的反应产物流、含碳氢化合物的反应物蒸汽和所述辐射热，且在所述辐射热存在的情况下使所述含蒸汽的反应产物流与所述含碳氢化合物的反应物流反应来产生合成气流；
其中所述至少一个催化反应器与将热辐射至所述至少一个催化反应器的所述多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5。
2. 根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述至少一个催化反应器还包括至少一个反应器管，其包含催化剂来促进所述蒸汽重整反应，各个反应器管均具有在各个反应器管的一端处的入口来接收所述含蒸汽的反应产物流和所述含碳氢化合物的反应物流，以及在各个反应器管的另一端处的出口来排出所述合成气流。
3. 根据权利要求2所述的模块，其特征在于，所述多个管状氧输送膜元件被定位以便围绕所述反应器管。
4. 根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块还包括：
连接到所述多个管状氧输送膜元件中一个或多个上的至少一个入口歧管，所述入口歧管构造成将所述含氢合成气流引至所述管状氧输送膜元件的所述透过侧并且将所述含氧流引至所述管状氧输送膜元件的所述渗余侧；
连接到所述多个管状氧输送膜元件中的一个或多个上的至少一个出口歧管，所述出口歧管构造成接收所述含蒸汽的反应产物流；以及
其中所述至少一个出口歧管连接到所述至少一个催化反应器的入口上，以将所述含蒸汽的反应产物流输送至所述催化反应器。
5. 根据权利要求4所述的模块，其特征在于，所述至少一个出口歧管与所述含碳氢化合物的流进一步流体地联接，来与所述含蒸汽的反应产物流混合，且将该组合流输送至所述催化反应器，从而形成组合流来经历所述蒸汽重整反应。
6. 根据权利要求4所述的模块，其特征在于，所述渗余物流通过所述透过的氧与所述含氢合成气流的燃烧来加热，并且来自于所述加热的渗余物流的热间接传递至所述至少一个催化反应器。
7. 根据权利要求4所述的模块，其特征在于，所述渗余物流通过所述透过的氧与所述含氢合成气流的燃烧来加热，并且来自于所述加热的渗余物流的热用于预热所述含氧流。
8. 一种用于产生合成气的方法，包括以下步骤：
利用多个管状氧输送膜元件来从含氧流分离氧，所述多个管状氧输送膜元件各自具有位于所述管状氧输送膜元件的外表面上的透过侧和位于所述管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧，所述含氧流接触所述多个管状氧输送膜元件的所述渗余侧，且在所述管状氧输送膜元件的所述透过侧上产生分离的氧；
使所述透过的氧与接触所述管状氧输送膜元件的所述透过侧的含氢合成气流燃烧，以生成辐射热、反应产物流和渗余物流；
使所述反应产物流与含碳氢化合物的反应物蒸汽组合，且将蒸汽加至所述含氢合成气流、所述反应产物流或所述组合流以形成含蒸汽的组合流；
在所述辐射热存在的情况下使所述含蒸汽的组合流在至少一个催化反应器中反应来产生合成气流；以及
使所述产生的合成气的一部分再循环来形成所述含氢合成气流；
其中所述至少一个催化反应器设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件，且其中所述至少一个催化反应器与将热辐射至所述至少一个催化反应器的所述多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将二氧化碳输入加至所述反应物流或所述含蒸汽的组合流的步骤。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述辐射热将所述催化反应器中的所述反应的温度保持在大约850℃至大约1100℃之间。
11. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述合成气用于甲醇生产过程中，且其中所述组合流具有大约0.5至0.6之间的蒸汽与碳的比。
12. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述合成气用于甲醇生产过程中，且其中所述合成气具有大约1.8至2.0之间的氢与一氧化碳的比。
13. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述合成气用于合成燃料生产过程中，且其中所述组合流具有大约0.5至0.6之间的蒸汽与碳的比。
14. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述合成气用于合成燃料生产过程中，且其中所述合成气具有大约1.8至2.0之间的氢与一氧化碳的比。
15. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述渗余物流通过所述透过的氧与所述含氢合成气流的燃烧来加热，且来自于所述加热的渗余物流的热间接传递至所述至少一个催化反应器。
16. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述渗余物流通过所述透过的氧与所述含氢合成气流的燃烧来加热，且来自于所述加热的渗余物流的热用于预热所述含氧流。
17. 一种热整合的氧输送膜和催化/过程反应器的模块，包括：
多个管状氧输送膜元件，其各自具有位于所述管状氧输送膜元件的外表面上的透过侧和位于所述管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧，所述管状氧输送膜元件构造成从接触所述多个管状氧输送膜元件的所述渗余侧的含氧流分离氧，且在所述管状氧输送膜元件的所述透过侧上产生氧，且使所述透过的氧与接触所述管状氧输送膜元件的所述透过侧的含氢合成气流一起燃烧，从而生成辐射热、反应产物流和加热的渗余物流；
至少一个过程管或反应器，其设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件，且构造成接收所述辐射热，其中所述至少一个过程管与将热辐射至所述至少一个过程管或反应器的所述多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5，且面积比大于大约0.60；
其中所述加热的渗余物流用于预热所述含氧流；
其中所述氧输送膜元件包括混合相氧离子传导致密陶瓷分离层，所述致密陶瓷分离层包括设置在惰性多孔耐火支承层上的基于氧化锆的氧离子传导相和占主导的电子传导钙钛矿相的混合物。
18. 根据权利要求17所述的模块，其特征在于，蒸汽加至所述含氢合成气流或所述反应产物流，且所述至少一个过程管或反应器为蒸汽重整催化反应器，所述蒸汽重整催化反应器设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件，且构造成接收所述反应产物流、所述含碳氢化合物的反应物蒸汽和所述辐射热，且在所述辐射热存在的情况下使所述反应产物流与所述含碳氢化合物的反应物流反应来产生合成气流。
19. 根据权利要求17所述的模块，其特征在于，所述至少一个过程管或反应器为过程加热器，所述过程加热器设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件，且构造成在所述辐射热存在的情况下加热或部分地氧化合成气进料来产生加热的合成气流。
20. 根据权利要求17所述的模块，其特征在于，所述过程管或反应器为蒸汽管，所述蒸汽管设置成邻近所述多个膜元件，且构造成在所述辐射热存在的情况下使锅炉给水转变成蒸汽流。
21. 一种用于热整合氧输送膜与催化/过程反应器的方法，包括以下步骤：
利用多个管状氧输送膜元件来从含氧流分离氧，所述多个管状氧输送膜元件各自具有位于所述管状氧输送膜元件的外表面上的透过侧和位于所述管状氧输送膜元件的内表面上的渗余侧，所述含氧流接触所述多个管状氧输送膜元件的所述渗余侧，且在所述管状氧输送膜元件的所述透过侧上产生分离的氧；
使所述透过的氧与接触所述管状氧输送膜元件的所述透过侧的含氢合成气流燃烧，以生成辐射热、反应产物流和加热的渗余物流；
将所述辐射热引导至设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件的至少一个过程管或反应器，其中所述至少一个过程管或反应器与所述多个管状氧输送膜元件之间的视角因数大于或等于0.5，且面积比大于大约0.60；以及
将所述加热的渗余物流引导至热交换器来预热所述含氧流；
其中所述氧输送膜元件包括混合相氧离子传导致密陶瓷分离层，所述致密陶瓷分离层包括设置在惰性多孔耐火支承层上的基于氧化锆的氧离子传导相和占主导的电子传导钙钛矿相的混合物。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个过程管或反应器为蒸汽重整反应器，且所述方法还包括以下步骤：
使所述反应产物流与含碳氢化合物的反应物蒸汽组合，且将蒸汽加至所述含氢合成气流、所述反应产物流或所述组合流以形成含蒸汽的组合流；
在所述辐射热存在的情况下使所述含蒸汽的组合流在至少一个催化反应器中反应来产生合成气流；以及
使所述产生的合成气的一部分再循环来形成所述含氢合成气流。
23. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个过程管或反应器为设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件的过程加热器，且所述方法还包括加热或部分地氧化所述过程加热器中的合成气进料来产生加热的合成气流的步骤。
24. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个过程管或反应器为设置成邻近所述多个管状氧输送膜元件的蒸汽管，且所述方法还包括在所述辐射热存在的情况下使锅炉给水转变来在所述蒸汽管中产生蒸汽流的步骤。
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