CN1205240A - 固体电解离子导电体反应器 - Google Patents

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Abstract

一种离子输送反应器和使用该反应器的工艺,具有至少一个离子输送隔膜,该隔膜具有一滞留侧和一渗透侧,以便当气流沿滞留侧流动时,从原料气流中抽取氧气。沿离子输送管使反应气流流动以与输送通过该处的氧气反应。当隔膜温度被保持在其工作范围内时,热量被送至流过离子输送反应器的液流。

Description

固体电解离子导电体反应器
本发明涉及一种用于气体分离系统的固体电解离子导电体反应器。本发明还涉及了在气体分离系统中的固体电解离子导电体的加热器／反应器和氧气分离器／反应器的结合。
本发明是在美国政府的支持下，借助National Institute OfStandards and Technolory授予的Cooperative AgreementNO．70NANB5H1065下完成的。因此，美国政府具有使用本发明的权利。
名为“综合固体电解离子导电体反应器-冷却器”的U．S．SerialNO．[Attorney Docket NO．D-20356]在这里被参考使用。
多年以来，非低温氧气分离装置，如有机聚合物隔膜系统已被用以从空气和其它气体的混合物中分离指定气体。空气是一种包括变量水蒸气的气体混合物，且在海面上具有按体积计算的大致以下成份：氧气(20．9％)，氮气(78％)，氩气(0．94％)，及均衡包括其它微量气体。但是，利用某些无机氧化物能够制出完全不同的隔膜。这些固体电解隔膜可由无机氧化物，通常由具有钙或钇稳定锆(calcium-oryttrium=stabilizedzircomium)萤石或钙钛矿结构的类似氧化物制成。在高温下，这些材料具有活动氧离子空位。由于这些材料仅允许氧气透过，所以这些材料能够作为对氧气具有无限选择性的隔膜，因此在新的空气分离工艺中应被非常重视。
虽然作为气体分离隔膜的这些氧化陶瓷材料的势能很大，但是在其使用中仍具有某些问题。最大的明显困难在于所有已知的氧化陶瓷材料仅在高温下才能表现出合适的氧离子传导率。这些材料必须在500℃以上，通常在700℃-1200℃的范围内才能被良好地使用。尽管许多研究表明这些材料在较低温度下也能良好工作，但仍存在局限性。固体电解离子导电体技术已在Prasad等、名称为分级电解隔膜(Staged ElectrolyteMembrane)的美国专利No．5，547，494中作了更详细地描述，因此该专利可作为能够更详细描述现有技术状态的技术而被使用。
对于利用工艺来说，该利用工艺在无需外部循环情况下，利用材料输送氧离子的能力及通过固体电解隔膜的电子回流，混合双向固体离子和电子导体材料的开发已引起了技术人员的兴趣。固体电解分离工艺通过化学势能而被驱动，该化学势能由阴极上含氧气体的局部氧气压力和阳极反应环境内的局部氧气压力间的比例产生的。目前已有了许多利用这一效果的系统实施例。这些实施例包括从惰性气体，如氩气和氮气中的除去剩余氧气(脱氧工艺)；在混合气涡轮循环中的氧气，氮气，氩气及二氧化碳副产品；用于制造氮气，氧气及二氧化碳的系统；用于化学氧化工艺，如煤的气化形成(例如，British Petroleum Electropox方法的部分氧化反应器；和燃烧器的使用，其中在阳极端的固体电解离子导电体反应器表面上会发生氧化反应的事实除去氮气，从而在具有适合加热的情况下，能够限制温度的升高及NOx的形成。
为了符合实际要求，以上任意工艺均要求反应器，该反应器能够以有效的方式完成指定功效。这一发明特别涉及固体电解反应器和有效操作所要求的固体电解反应器组合的基本设计原则。由于在这些装置中，通过氧化反应，在离子输送隔膜的阳极上会产生热量，所以重要的是控制热量的输送以使固体电解离子导电体尽可能均匀地保持在一温度上。如果固体电解离子导电体的区段在过于低的温度下工作，那么这些区段上的氧气流则被减小；如果所述区段在过高的温度下工作，那么这些区段的使用工作寿命可能会大大降低。此外，设计必须能保证氧气的有效质量交换及分别向阴极和阳极侧的供料，并以根据所使用元件材料的稳定特性而使阳极面上的氧气局部压力保持在大于10-14-10-16大气压的方式平衡氧气流动和反应动力。由于由其网格结构所造成的氧气损失，所以大量已知材料往往会在非常低的氧气压力下造成严重的品质下降。
本发明的第二个目标在于确定能提供切实可行的解决方法的结构，以便使固体电解反应器具有其它功能，如加热第三蒸汽或利用单一设备中的第三固体电解隔膜从阴极侧气流中分离出氧气。上述功能的结合必须以不妨碍以往对热量控制和质量交换的规定要求的方式来完成。
在使用固体电解离子导电体技术的情况下的改进已在技术文献中有所披露。
例如，Mazanc等、名称为固体多组分隔膜，电化学反应器组件，电化学反应器及隔膜的使用，反应器组件及用于用于氧化反应的反应器，美国专利5，306，411，涉及了用于使含氧气体与耗氧气体反应的电化学反应器，并披露了一壳体管道式反应器，在该反应器中含氧气体在固体电解隔膜的一侧流动，而耗氧气体则在另一侧流动。但是，Mazanc等的专利并未涉及在理想均匀温度下保持隔膜表面的热量控制，实现有效质量交换的流体动力学，或使反应动力氧离子传导率平衡以在材料温度下保持合适的氧气分压。
Westinghouse已研制了具有管形结构的固体氧化燃料电池，如PowerGen 1995-Americas Conference，于Anaheim，加利福尼压，在1995年十二月5-7，作者为Frank P．Bvec及Walter G．Parker，DistributedPower Applications的SureCELLTm Integrated Solid Oxide Fuei CellPower Plants描述的。该出版物涉及管形固体氧化燃料系统，该系统具有某些与本发明几何结构表面相似的几何结构，但这些几何结构未涉及本发明中固体电解反应器完成的动能。Bvec和Parker披露了一具有封闭端部的燃料电池部件，其中空气完全由同轴内管被送至固体电解隔膜的内阴极侧，从而在进入氧化输送发生之处的阴极通道之前，空气会被预热。但是，Bvec和Parker的文献并未提出热控制和流动力学的问题。此外，与本发明不同，Westinghouse设备不是用于产生热量或生产理想阳极侧制品的反应器，而是用于产生电能的燃料电池，从而不能使用混合或双向导体作为电解质。此外，Westinghouse固体氧化燃料电池(见图4)也为低压力设备，而本发明的反应器通常至少在固体电解质隔膜的一侧要经受高压。
管形固态隔膜组件已在Dyer等的美国专利NO．5，599，383中披露，该组件具有多个管形隔膜部件，每一部件均具有无槽式多孔支撑和在其上的重介质混合导氧层。每一部件的多孔载体均与一个或多个歧管或导管流通相连，以排出已经透过重介质层和多孔支撑的氧气。
因此，本发明的目的在于提供一种用于气体分流系统的有效离子输送反应器。
本发明的另一目的在于使离子输送反应器与加热器结合以制成用于气体分离系统的加热器／反应器。
本发明的另一目的在于使氧气分离器与离子输送反应器结合以制成用于气体分离系统的氧气分离器／反应器。
本发明的另一个目的是通过用反应气流清扫离子输送膜的渗透侧，来增加设计效率。
本发明的另一目的在于通过根据材料，输入率和气体流动几何形状的选择而产生的反应器内的质量交换和热量交换来增加设计效率。
本发明包括一离子输送反应器及利用上述装置的工艺以使反应气流与从输入气流中产生的氧气发生反应，上述输入气流包括元素氧和至少一种其它气体。反应器包括具有一滞留侧和一渗透侧的离子输送隔膜。所述工艺包括使输入气流在离子输送隔膜的滞留侧流动，且使反应气流在离子输送隔膜的渗透侧流动。由与透过离子输送隔膜的气流反应的反应气流产生的热量被送至输入气流以加热输入气流，同时使离子输送隔膜的温度保持在离子输送隔膜的工作范围内。
在本发明的一个最佳实施例中，所述工作温度范围为大约500℃-1100℃。在本发明的另一最佳实施例中，在隔膜的整个长度上，沿离子输送隔膜的温度应保持基本恒定。在本发明的另一最佳实施例中，氧气透过的阻力及反应动力被按比例分配，以便使隔膜渗透侧的局部压力保持在10-6的大气压之上。在本发明的另一最佳实施例中，离子输送隔膜具有加设在部分离子输送隔膜透过侧的多孔催化层，以在表面增强化学反应。在本发明的另一最佳实施例中，对至少离子输送管中隔膜一侧的部分进行涂料以增强表面交换动力。在本发明的另一最佳实施例中，沿离子输送隔膜滞留面引导原料气流的流动，使其透过离子输送隔膜和管套之间的进气通道，以使气体扩散阻力达到最小。
在本发明的另一最佳实施例中，与离子输送管工作产生的反应热发出的至少部分热量被送至流过离子输送反应器的流体，如原料气流。在本发明的另一最佳实施例中，至少一个热传导区域和热传导系数会随原料气流和离子输送隔膜之间的温度差(ΔT)逆向改变。在本发明的另一最佳实施例中，原料气流被分为第一气流部分，该气流部分被导入反应器并产生用于与反应气流反应的氧气，从而生产热量，该热量随后被用于加热第一输入气流部分，该输入气流部分将热量送至包括离子输送分离膜的离子输送分离器组件，其中所述离子输送分离器隔膜具有一滞留侧和一透过侧，第二原料气流部分可流过所述滞留侧和透过侧且氧气沿透过侧被抽取。在本发明的另一最佳实施例中，原料气流首先进入分离阶段，在该处通过利用离子输送分离隔膜激励离子输送的压力而将更多的氧气抽至无反应气体侧，且随后原料气流进入离子反应器，在该处利用离子输送隔膜抽取额外的氧气，以使其与反应气流反应，从而生产出反应得出的气流，该气流随后被用来清扫离子输送隔膜的透过侧。
在一个实施例中，离子输送反应器包括至少一个离子输送管，该离子输送管具有能够输送氧气的隔膜，离子输送隔膜具有滞留侧和透过侧，用于在沿滞留侧流动时，从原料气流中抽取氧气。在工作期间，使反应气流沿离子输送管的透过侧流动以与透过该处的氧气反应，由离子输送管工作产生的反应热产生的至少部分热量被送至流过离子输送反应器的液流，且至少一个热传导区域和热传导系数会随原料气流和离子输送隔膜之间的温度差而逆向改变。
在本发明的另一最佳实施例中，离子输送反应器还包括在至少每一离子输送管的部分内或在其周围的同轴管，以在其间形成一环形通道，以便沿离子输送管导引原料气流的流动。在本发明的另一最佳实施例中，至少一个热传导区域和热传导系数会沿壳体侧的原料气流通道长度方向、根据在温差较大之处产生较大热交换阻力而在温差较小之处产生较小热交换阻力的可变隔板距离而改变，或根据可变绝缘层厚度而变化。在本发明的另一最佳实施例中，离子输送管一端应被封闭。在本发明的另一最佳实施例中，原料气流根据离子输送管可横向，逆向或顺向流动。
根据对最佳实施例的以下描述及相应附图，本领域有经验的技术人员将会得出本发明的其它目的，特点和优点，其中：
图1为本发明一实施例的示意图，说明了本发明离子输送反应器的基本结构，其特点在于该结构具有一直通管，其中滑管-管隔板的密封能适应离子输送管热合成尺寸变化；
图2为与图1相似的本发明另一个一实施例的示意图，其中离子输送管的端部被封闭并在其顶部由一顶盖密封，且能自由浮动以避免应力，在每一离子输送管内均加设有同轴内管，以便提供或抽出反应侧的气体；
图3A为与图2相同的本发明另一实施例的示意图，其中含氧气气流及反应气流端被改变了方向；
图3B为表明图3A中同轴内管和离子输送管详细结构的示意图，该图描述了用于改变局部热传导系数的可变面积垫片或可变节距螺旋垫片；
图3C为表明可选择的离子输送管详细结构示意图，该图描述了可变绝缘层厚度的垫片，该垫片被设置在管套上以改变局部热传导系数；
图4A为与图2相同的本发明的一实施例的视图，该实施例能为多相反应，氧气流量及热交换选定最佳数值；
图4B为表明图4A上部详细结构的视图；
图4C为表明图4A下部详细结构的视图；
图5为一曲线图，表明作为原料送入距离函数的图4中反应器不同元件的计算温度曲线；
图6为一曲线图，表明了图4中反应器壁处的计算进料和净化氧气局部应力的曲线，这些曲线为原料送入距离函数；
图7A为本发明一个实施例的示意图，描述了具有封闭和自由浮动管顶部的离子输送反应器／加热器的详细结构；
图7B为可用于图7A中离子输送反应器／加热器的加热管隔板的示意图；
图8A为本发明一个实施例的示意图，描述了具有封闭和自由浮动管顶部的离子输送反应器／氧气分离器的详细结构；
图8B为本发明一个实施例的示意图，描述了具有一直通管的离子输送反应器／氧气分离器。
本发明涉及一种用于气体分离系统的固体电解离子导电体反应器。本发明还涉及固体电解离子导电体反应器／加热器和反应器／氧气分离器的结合。
与现有技术相比，本发明提供了固体电解反应器必须满足切实可行、符合实际的功能要求，并披露了反应器便于与其它操作结合的功能。本发明特别使用了热传导装置，以便从固体电解离子导电体元件中除去反应热，从而使固体电解离子导电体元件保持在非常恒定的温度。这一点可通过改变合适热传导表面几何结构及合适局部流速必需的局部热传导系数和热传导面积而得以实现，其中所述合适热传导表面几何结构可包括适当添加一绝缘层。同时，隔膜阴极面的氧气和阳极面的反应物的有效质量交换可通过高紊流或狭窄的通道尺寸而被保证。此外，应注意，在阳极面上或在其附近，需使氧气局部应力保持在非常高的水平，以便延长由平衡局部氧气流量与反应动力所使用的特定混合或双向传导以实现导管的寿命。这一点可通过一方面对具有合适的离子传导率及厚度的隔膜选择，而另一方面由催化材料或表面面积的催化活性控制而得以实现。
其它特征，如第三气流的间接加热或通过合适固体电解膜的氧气制品气流的分离以实现最佳简化要求，同时满足前文所披露的工作要求，这里所使用的术语“固体电解离子导体”，“固体电解离子输送隔膜”，“离子输送隔膜”或“固体电解质”如未作其它限定，则用于说明离子型材料或混合导管型材料。
这里所示的术语“元素氧”表示未与化学周期表中任意其它元素结合的任意氧元素。如通常在二价形式中，元素氧包括单个氧原子，三价臭氧，及未与其它元素结合的其它形式。
“高纯度”一词表示成品气流按体积计算低于10％的非理想气流。该成品最好具有至少98．0％的纯度，更好的是具有99．9％的纯度，最好具有99．99％的纯度，此处“纯度”表示没有非理想气流的程度。
现在，结合附图对本发明作详细地描述，其中相同参考符号表示相同元素。
图1的示意图描述了本发明的一个实施例，该示意图说明了本发明固体电解离子导体反应器的基本结构。虽然，对于所有固体电解离子导电体反应器来说，基本结构的要求均相同，但是特殊的结构却要求进行脱氧操作，例如从原氮或氩气流18中去除1％至10％的残留氧气。图1的固体电解离子导体反应器记载了一导管和壳体结构，该结构在设备一端具有一单根管隔板21，而在设备的另一端则具有两根管隔板7，8。壳体14内侧由绝缘体15进行热保护，且包括由套管3环绕并由0型-密封环6密封支承的离子输送管1。该可滑动的管-管隔板密封能调节离子输送管1内热量和成分的量纲变化。离子输送管1由混合固体氧化物的致密壁或双向导管或混合固体氧化物的薄膜或由多孔基体支承的双向导管组成。当通过离子输送隔膜的氧分压比在穿过离子输送隔板面上保持化学势能差时，离子输送材料应具有足够能力在400℃-1100℃的温度范围下传导主氧分压下的氧离子和电子。适合的离子输送材料为表1所列出的钙钛矿及双向金属-金属氧化物混合物。由于在多种使用中，离子输送膜中阳极侧(渗透剂)的反应环境会形成非常低的局部氧气压力，所以表1中的含铬钙钛矿，由于在这种情况下往往是稳定的，即这些材料在非常低的局部氧气压力下不会被化学分解，因而可作为优选材料。可由相加同钙钛矿制得的多孔催化剂层有选择地被加入离子输送隔壁的两侧以增强表面交换及这些表面上的化学反应。此外，离子输送膜的表面层可用如钴这样的材料处理以增强表面交换动能。表1
                       材料成分
    1． (La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1,δ根据化学当量)
    2． SrMnO3-δSrMn1-xCoxO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1,δ根据化学当量)Sr1-xNaxMnO3-δ
Figure 9810888800128
10.  v为0至大约1；w为0至大约1；x等于公式中满足A,A’,B,B’,B”的配价数目；且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1La1-xSrxCu1-yMyO3-δ系中的一种材料，其中：M表示Fe或Co；x为0至大约1；y为0至大约1；δ等于公式中应满足La,Sr,Cu，及M的配价数目。
11． Ce1-xAxO2-δ系中的一种材料，其中：A表示镧系元素，Ru，或Y；或其混合物x为0至大约1；y为0至大约1；δ等于公式中应满足Ce和A的配价数目。
    12． Sr1-xBixFeO3-δ系中的一种材料，其中：A表示镧系元素或Y；或其混合物x为0至大约1；y为0至大约1；δ等于公式中应满足Ce和A的配价数目。
    13． SrxFeyCozOw系中的一种材料，其中：x为0至大约1；y为0至大约1；z为0至大约1；w等于公式中应满足Sr,Fe和Co的配价数目。
14． 双相混合导管(电子/离子)：(Pd)0.5/(YSZ)0.5(Pt)0.5/(YSZ)0.5(B-MgLaCrOx)0.5(YSZ)0.5(In90％Pt10％)0.6/(YSZ)0.5(In90％Pt10％)0.5/(YSZ)0.5(In95％Pr2.5％Zr2.5％)0.5/(YSZ)0.51-13中描述的任意材料，对其加有高温金属相(如，Pd,Pt,Ag,Au,Ti,Ta,w)。
在加工期间，含氧气流18进入位于反应器顶部附近的壳体14，以横向相对流动方式或相互并流方式向下流至由导流板4引导的离子输送管1内侧的反应排气流或反应气流16，且随后进入离子输送管1和套管3之间的环形通道2，该处氧气通过径向向内通过管道1的输送而从气流18中被抽取。作为氧耗尽气流20，气流18从两管隔板7和8之间的间隙被回收。反应气流16流入离子输送管1，当该气流穿过离子输送管1时，与氧气反应以产生排出反应器的气流22。
用于在离子输送管1的渗透侧上反应的氧气通过从流经环形通道2的含氧气流18中输送的离子被提取。通过离子输送管1及其相应套管3之间环形通道2的狭窄宽度，其值优选为0．5-4mm，最好为0．8-3mm而使气体扩散阻力降至最小。所述反应发生在临界层或离子输送管1的阳极面(渗透侧)。结果，最高温度将产生在离子输送管1的壁上。离子输送管1和套管3的同轴装配能够确保它们之间优良的辐射热传递配合，且由于在高工作温度下辐射热传递效率很高，所以套管3的局部温度将紧随与其相应的离子输送管1的局部温度。通过通道结构，环形通道2和通道壁(即，离子输送管1外表面和套管3内表面)内流动气体间的热传导系数也将较高。
反应器壳体14内侧设有轴向距离可变化的多个隔板4，含氧气体18进入在环形通道2入口对面端处的反应器壳体侧。相对于环形通道2内气流(即，相对于离子输送管1)以横向相对流动方向流动。壳体侧气体和套管3间的局部热传递系数可通过均取决于隔板距离的局部横向流动速度和局部隔板区域或通过若需要包括绝缘层的表面结构而被控制。一典型的隔板距离设置已在表Ⅱ中给出，其中距离单位为英寸：
                                  表Ⅱ
    隔板标号NO.     隔板间距离(in.)   距套管21的距离(in.)
    1     6     6
    2     3     9
    3     3     12
    4     2.5     14.5
    5     2.5     17
    6     2     19
    7     2     21
    8     2     23
    9     2     25
    10     1.5     26.5
    11     1.5     28
    12     1.5     29.5
    13     1.5     31
    14     1.5     32.5
    15     1.5     34
    16     1.13     35.13
前面已提到，必须将离子输送管1的温度保持在相对均匀的水平以保证反应器的最有效利用。这一点可通过如下的选定结构而被实现。由于在大多数情况下，壳体侧上的质量流会显著超过反应侧的质量流，所以反应热量必须通过壳体侧气流的温度升高而首先被吸收。因此，含氧气流18必须在大大低于反应温度下进入反应器。为防止离子输送管1温度的局部降低和升高，气流在适当接近反应温度的温度下进入环形通道2以及壳体侧气流和通过3之间的局部热传导在环形通道2的整个长度上基本保持恒定是很重要的。总的来说，这意味着在ΔT较大处，热传导系数和隔板面密度必须较低，即隔板距离较宽；在ΔT较小处，热传导系数和隔板面密度必须较高，即隔板间距紧密。
应注意的是，由于反应速度不仅随温度而变化，而且也会随氧气输送和局部反应动力的局部化学驱动势能变化，所以反应速度在整个反应器长度上不一定是均匀的，故以上描述多少过于简单。如后边的实施例将描述的，全面详细的反应器设计要求相当复杂的分析，其中应考虑所有的反应器。尽管如此，维持固体固体电解离子导电体反应器温度分布的相对均匀仍是指导性设计目标，且如若ΔT很大时具有能增加一适当厚度绝缘层的能力一样，改变隔板轴向距离的能力会提供必要的灵活性以实现这一目标。这一方面，本发明尤其能与由British Petoleum研制的早期Electropox方法区分开。
在设计中，平衡局部氧气流量和反应动力以确保局部氧气分压力处于保证材料稳定性的水平，即对于目前已知材料来说，通常在10-15-10-17大气压以上也是十分重要的。氧气流量为复变函数，其取决于材料离子传导性，固体电解质壁厚度，反应动力，反应气体局部压力，及受催化剂选择和催化剂增大面积影响的催化剂活性。
在离子输送管1反应侧(渗透侧)的气流可为逆流或顺流。由于将会影响局部反应动力和氧气分压环境，所以气流方向在某些情况下是重要的。后面的情况会对氧气流量，材料稳定性和合应力产生影响。
在离子输送管1可被固定在下管隔板上或由O-型环6被柔性密封。离子输送管1必须能滑动以适应由热合力膨胀引起的轴向膨胀。在图1中，离子输送管1在其顶部端由O-型环6密封。此外，如果在其底端被柔性密封，必须设置一止动装置以限制由于热合力膨胀而导致的离子输送管1的运动。
在图1结构中，管隔板7，8和21及壳体14由绝缘材料15隔离且被保持在较低温度以允许廉价施工材料的使用。管隔板7，8和21可选择性地由未示出的独立气流非强制地自动冷却。
在管道1内可进行多种部分或全部氧化反应，此处可参考进行如Mazanec等的美国专利NO．5，306，411所披露的反应。
图1中所示的结构也可被用作燃烧器。在第一种直流结构中，反应侧气流与沿通道2运动的输入气流并流，且由于从反应器两侧发出的排出气流汇合以通过上部9的排气口一同排出，所以可省略管隔板7。在另一种直流结构中，对引起氧气质量交换阻力的考虑并不太重要，且由于过量氧气的正常有效数量是合适的，所以可省略管套3。随后，含氧气流18通过以剖视图描述的入口12被送入壳体14，并通过排气口9被排至另一端。如以前一样，仍要求具有可变轴向距离的隔板4，以获得相对恒定的局部热流量以便将反应热从离子输送管1传送至壳体侧的气流。在该第二燃烧器结构中，接近组件17底部的隔板距离较宽，而接近组件17顶部的隔板距离则较窄。
图2所示为功能上与以前结构等效的结构变化详图。为了避免离子输送管28上的应力，其端部在顶部由一顶部密封盖26密封，且在管套38内能自由浮动。在每一离子输送管28内加设一第三同轴内管30以便进行反应侧气体的供给或抽出。为了适应这一流动结构，双管隔板从顶部向底部产生变化，两下加热管隔板间的距离应适于反应侧气流的供给或抽出。图2中含氧气流36的流动同图1相同，其反应、热传导及气流相互关系也与图1相同。含氧气流36的流动由隔板40引导。反应气流32流入同轴内管30，且随后通过由同轴内管30和离子输送管28形成的环形通道29。当反应气流透过离子输送管28以产生排出反应器的气流34时，反应气流32与氧气反应。耗尽氧的气流42也排出反应器。与图1相比，图2中结构的优点在于消除了由不同膨胀和径向安装误差所造成的作用在离子输送管28上的应力，且仅要求一根离子管-管隔板密封。但这一结构的缺点在于需要同轴内管30，并要求在制造期间设置具有一密封端的离子输送管28。
如图3A所示，用于图2中含氧气流和反应气流的侧壁以相对较小的变化发生回转。图3A中的转向结构可特别适于以更大直径制造的复合薄膜离子输送管。既然是这样，含氧的原料气流50进入壳体53并流过同轴内管60，此时该同轴内管能加热进入的原料气流，且也易产生与离子输送管58反应面相关的近距离热辐射传导(close rddiative heattransport)。随后，含氧的原料气流50沿离子输送管58流过由同轴内管60和离子输送管58形成的环形通道61。与以前相同，热传导系数必须很高以使进入的原料气流温度提高至近可能接近反应的温度，且所述热传导系数应能变化以使局部热流的轴向变化减至最小。
通过控制局部速度和／或使用管60或58的可变几何形状，可变面积垫片，可变节距螺旋垫片，或可变厚度的绝缘垫片而使隔板热传导系数的变化成为可能。图3B为一描述图3A中同轴管套60和离子输送管58的详细结构示意图，其中表明用可变面积垫片63或可变节距螺旋垫片64来改变局部热传导系数。图3C为同轴管套70和离子输送管71的可选择详细结构的示意图，其中当隔板73引导气流且另一气流沿环形通道74流动时，可用可变绝缘厚度垫片72来改变局部热传导系数。可变绝缘厚度垫片72的数目可为一个或多个(例如五个)，且可选择地设置在管套70内表面，或在不需要离子输送之处可设置在离子输送管71的外表面。图3C的其它简要变化对本领域有经验的技术人员来说是相当明显的。
在图3A中，与图1相同，环形通道61中质量交换阻力将随选定的几何形状降低。反应混合气流52应根据所希望的直流或逆流形式而进入任一端的反应器折流壳体侧。由于该结构中反应侧上的质量交换并不重要，所以在这一实施例中的外套管可省略一外管套。耗尽氧的气流56被排入管隔板51和55间的间隙57，从该处气流可被抽出。
与其函数性相同，对图3A中反应器的整体设计的考虑与图1非常相似。因此，其优点在于具有自由浮动的管端并不必设置上部管隔板。此外，由于含氧的气流50在大大低于反应温度的温度下进入反应器，管隔板51和55及管-管隔板接合处可被保持在相对较低的温度下，以允许廉价施工材料及如焊接或钎焊这样相对标准的密封技术的使用。但其缺点在于，温度分布的控制不如图1结构好。
图4A描述了一与图1中相同的反应器实施例，该反应器被设计成能从氮气气流中除去2％的所含氧气，以使成品气体纯度达到含氧低于10ppm以下，并进一步说明了本发明的普通原理。图4B为说明图4A上部部分的详细结构图，图4C为说明图4A下部部分的详细结构图。
           反应器实施例(图4A)
    原料氮气流 在150磅/平方英寸和20C下含2％(体积)的500NCFH
    所要求的制品纯度 含氧气低于10ppm
    反应净化气流 在148磅/平方英寸下，具有75NCFH氮气，15NCFH CH4
    离子输送管材料 在Pd/Ag=1的条件下，具有20％(重量)的Pd-Ag第二相的La0.4Sr0.6Fe0.69Cr0.2Co0.1Mg0.01O3-x
    在1000C下隔膜的传导率     0.25Siemens/厘米
    离子输送管尺寸 0.42英寸外径×0.049英寸壁×42英寸长(有效尺寸为35英寸)
    离子输送管数目     7
    阳极上的催化剂   壁材料多孔表面厚度应达到0.02英寸。
利用基于如甲烷这样的特定反应物质的异源反应模式，多阻力氧气流量模式，及热传导模式而设计了图4A的反应器实施例。图4A中所示的发明实施例的操作与图1相同。如以前所提到的，图4B和4C分别描述了图4A中顶部剖面和底部剖面的详图，并作为对下文所述的图4A中上述区域结构详图的参考。
在图4A中，含氧气流18进入反应器顶部附近的壳体14，以相互逆向流动方式向下流至由隔板4引导的离子输送管1内的反应净化气流或反应气流16，且随后进入离子输送管1和管套3间的环形通道2(如图B的详图所示)，其中氧气从气流中抽出且作为耗尽氧气的气流20气流从管隔板7和8间的间隙回收。反应气流16流入离子输送管1，当穿过离子输送管1时，上述反应气流与氧气反应以产生排出反应器的气流22。如前所述，在离子输送管1透过侧上反应的氧气由从流过环形通道2的含氧气流18输送的离子抽取。通过离子输送管1及其相应管套3间环形通道2的狭小宽度而使其它扩散阻力降至最小。反应发生在边界层或离子输送管1阳极面(渗透侧)。结果，最大温度将产生于离子输送管1壁上。离子输送管1和管套3的同轴结构能确保其间相关的优良辐射热传导。由于在高操作温度下，辐射热传导效率非常高，所以管套3的局部温度将紧紧跟随相应离子输送管1的局部温度。
在环形通道2和通道壁(即，离子输送管1外表面和管套3的内表面)流动的气流间的热传导系数，由于通道几何结构，其系数也将很高。反应器的壳体14内侧设有隔板4，所述隔板具有可变化的轴向距离。含氧气流18进入与环形通道2入口相对端部的反应器壳体侧。所述进入气体相对于环形通道2内气体流动方向(即，相对于离子输送管1)作横向逆向流动。在壳体侧气流和管套3间的局部热传导系数通过对根据隔板距离而定的局部横向流动速度和局部隔板面积的适合选择或若需要通过包括绝缘层的表面形状可被控制。
如以前已提到的，离子输送管1温度必须通过被保持在能确保最有效使用反应器的相对均匀水平上。这一点通过所选定的结构、以下列方式完成。由于在多数情况下，壳体侧上的质量流动会大大超过反应侧的质量流动，所以反应热必须主要由壳体侧气流的温度升高而被吸收。因此，含氧气流18必须在大大低于反应温度的温度下进入反应器。
为了防止离子输送管1温度的降低和升高，气流在相当接近反应温度的温度下进入环形通道2且壳体侧气流和管套3间的局部热传导在整个环形通道2的轴向长度上基本恒定是很重要的。总之，这意味着在ΔT较大处，热传导系数和隔板面积密度必须较低，即隔板距离较宽；在ΔT较小之处，热传导系数和隔板面积密度必须较高，即隔板距离较窄。
如图4C所示，离子输送管1可被固定在下部管隔板上或由O-型环6柔性密封。离子输送管1必须能滑动以适应由热合力膨胀产生的轴向膨胀。如图4B所示，离子输送管1在其顶部由O-型环6密封。此外，如果，离子输送管1在其底部被柔性密封，必须设置一止动装置以限制由于热合力膨胀造成的离子输送管1移动。在图4A的结构中，管隔板7，8和21和壳体14由绝缘层15绝缘并被保持在较低温度下，以允许施工时廉价材料的使用。管隔板7，8和21可由未示出的独立气流非强制地自动冷却。
通过使阳极和阴极侧的界面动力与离子输送隔膜内侧扩散该处的公式相结合以计算出多阻力氧气流量。在两个表面上，氧气流量的驱动力为穿过特定表面的氧气势梯度。在阴极上，反应氧化速度与反应种类的局部压力和隔膜壁上的空位密度成正比，壁上氧气的扩散应遵循已知的能斯脱方程：
J0=(RTS／16F2L)×Ln(P2／P1)
其中：S为离子传导率；
L为壁的厚度；
R为气体常数(8．31×103J·koml-1)；
ΔT为温度(K)；
F为法拉第常数(9．65×107C·koml-1)；
P1为在隔膜阴极壁的O2的局部压力；及
P2为在隔膜阳极壁的O2的局部压力。
由图4A反应器实施例所得的计算结果如下。所要求的氮气反应器进气温度为855℃。图5为一图表，描述了作为原料进入距离函数的图4A中反应器实施例的不同元件的计算温度分布图。图6为一图表，描述了作为原料进入距离函数的图4A中反应器实施例壁上计算输入和净化氧气局部压力的分布图。由于沿整个离子输送管壁长度的离子输送管壁温度的变化低于100℃且氧化局部压力大于10-10大气压，则表明图4A中反应器实施例的结构良好。
如以前所提到的，可将离子输送反应器与单壳体结构中其它导管结合起来。最突出的可能使用是用于反应器／加热器和反应器／氧气分离器。
图7A为说明本发明离子输送反应器／加热器的一实施例的详细结构示意图。图7A中反应器／加热器的特点在于在设备任一端的成对管隔板80和81，82和83和一侧的离子输送管85组穿过壳体间隙；第三气流的另一侧加热管88组穿过壳体间隙。离子输送管85和加热管88均具有自由浮动的封闭端并可交替地排列设置。离子输送管85和加热管88也分别含有同轴内管86和89。就离子输送管85而言，同轴内管86允许反应气体混合物进入或排出。加热管88内的同轴管89最好由其内或外表面上的绝缘层90绝缘，以使阻止穿过同轴管89的热交换。反应器／加热器壳体的特点在于可变轴向距离的隔板92。
在操作期间，反应气体混合物根据所希望的相对于壳体侧含氧气流的流体方向的顺流或逆流流向被引入处于离子输送管85底部的同轴内管86或被引入环形通道94。离子输送管85内表面上的反应由从含氧气流通过离子输送管壁的氧气离子输送来完成。如图7A所示，被加热的气流通过同轴内管89并在流入环形通道96时，能吸收热量。含氧气流进入处于同轴管89底部的壳体并同时相对于被加热的气流横向流动。反应热通过含氧气流及加热管88内的第三气流的温度升高而被吸收。
如与以前实施例相同，为获得最佳特性，离子输送管85的温度必须被保持相对恒定。通过辐射和对流，热量被送至第三气流。通过可变隔板距离可再次影响对流，以在温度差较大之处实现同轴内管89顶部附近的高流速和高对流系数，且在温度差较小之处，在同轴内管89顶部附近实现低流速和低对流系数。通过提供环形通道96内第三气流的可变对流系数，也有助于实现获得均匀热流量的目标，实现这一目标的一种方式通过在环形通道96中使用一可变节距螺旋垫片97而得以实现，其在同轴内管89底端能够产生高速度且在同轴内管89顶部产生低速。
图7B为可在图7A的离子输送反应器／加热器中使用的管隔板的示意图。管隔板100固定有交替排列的离子输送管99和加热管98。
在单一设备内使用组合式反应器和加热器的优点在于包括在含氧气流的热容率不足之处，具有简化操作系统和自由控制较高反应热的可能。
图8A为描述离子输送反应器／氧气分离器的示意图。离子输送反应器／氧气分离器将如空气这样的含氧气体加热至离子输送操作温度，并抽出纯氧制品气流。在图8A中，离子输送反应器管122在上部管隔板112的一端被固定和密封。离子输送反应器管122的另一端能自由浮动并在其端部，具有流量限制或流量分配孔123。在离子输送反应器管122外壁和套管124内壁之间形成有环形通道125。具有密封端的离子输送分离器管130被固定在底部管隔板110上并被密封。在离子输送反应器管130外壁和套管128内壁之间形成有环形通道135。套管124和128在其顶端被打开且均在管隔壁111处被固定和密封。
在操作期间，反应气流116在设备顶部被引入离子输送反应器管122内侧并在环形通道125内向下流动。氧气通过穿过离子输送反应器管122的离子输送而被输送，并在其表面支持反应。反应热量被排至通过套管124和隔板120的壳体侧气流。反应制品在离子输送反应器管122底部排出，通过反应器管122底部的流体限制和分配孔123流入底部管隔板110和111之间的空间138。含氧气流114进入壳体136，并向上流过壳体136中的隔板120，在该处气流被加热至离子输送分离器操作温度(700℃-1050℃)，且随后进入离子输送分离器管130和套管128之间的环形通道135。离子输送分离器管130在其上端被封闭。通过使穿过离子输送分离器管130壁的氧气保持局部压力正比，而使氧气通过离子输送分离器管130壁，氧气流进入加热管隔板110下方的空间140，并作为气流118排出壳体136。反应制品和耗尽氧气的气流均进入底部加热管隔板110和111之间的公共空间138，并作为气流115排出壳体136。
与以前的实施例相同，反应热必须通过含氧气流的温度升高被吸收且离子输送反应器管122的温度被保持在尽可能均匀的温度。如以前所提到的，这一点可通过保持恒定的局部热流量，通过控制局部热传导系数和通过可变隔板距离而得以实现。为了避免由于环形通道135中含氧气流及离子输送分离器管130中温度下降造成的破坏性热损失，套管128最好在其外表面绝缘。
图8B为一示意图，用以说明离子输送反应器／氧气分离器的可选择性设计。离子输送反应器／氧气分离器将如空气这样的含氧气流加热至离子输送操作温度并抽出纯氧制品气流。在图8B中，离子输送反应器152在顶部由上部加热管隔板154固定和密封，且在底部由底部管隔板156被固定和密封。环形通道156在离子输送反应器管152外壁和管套158内壁间形成。离子输送分离管160在顶部由上部管隔板162，且在底部由底部的管隔板156被固定和密封。环形通道164在离子输送分离管160外壁和管套170内壁间形成。套管170和158在两端开有孔且均在加热管隔板166处被安装和密封。套管158在管隔板172处被另外安装和密封。同管被安装在每一端的其它结构相同，应使用滑动式密封装置168密封离子输送反应器管152，离子输送分离管160，及套管158。
在操作期间，含氧原料气流150进入壳体180，向上流过壳体180的隔板174，在该处气流被加热至离子输送分离器的操作温度(700℃-1050℃)，且随后进入离子输送分离管160和套管170之间的环形通道164。靠使通过使穿过离子输送分离管160壁的氧气局部压力保持正比而使氧气通过离子输送分离器管160壁，并进入反应成品气流182且组合气流作为气流184排出壳体。随后，含有一些氧气的滞留气流186进入离子输送反应器管152和管套158之间的环形通道164。同时，同样可适当含有蒸汽的反应气流178在设备顶部被输送至离子输送反应器管152的内侧并向下流动。氧气通过穿过离子输送反应器管152的离子而从气流186中被输送，并支持其表面的反应，且滞留气流作为气流187排出壳体180。反应热量通过套筒158和隔板174被排出至套管侧的气流中。如以上所强调的，反应成品气流182穿过离子输送分离管160进入氧气，且组合气流作为气流184排出壳体180。
由于所有气体，而不是仅仅一部分气体，首先流过离子输送分离管160且由于从离子输送反应器管152发出的组合气流182被用于离子输送分离管160渗透侧的清洁以降低该侧氧气的局部压力，所以图8B所示的实施例应使离子输送分离管160中氧气输送的驱动力达到最大值。但这一实施例较高较为复杂，其中具有五个管隔板(外侧的两个可浮动)，及至少两个滑动式密封装置。幸而，两个滑动式密封装置能隔离进入和排出滞留气流，其中所述气流处于因滞留流通压力的降低而导致压力差较小的之处。
与以前的实施例相同，反应热必须通过含氧气流温度的升高而被吸收，且离子输送反应器管152的温度较宽尽可能被保持在均匀的温度。如以前所述，这一点可通过保持恒定的局部热流量，通过控制局部热传导系数和通过可变隔板距离而得以实现。为了避免由于环形通道164中含氧气流及离子输送分离管160中温度下降造成的破坏性热损失，套管170最好在其外表面绝缘。
最好为反应器和分离器生产率选择不同的离子导电体材料，以提供最佳机能。为反应器机能选定的材料，如表1中列出的含铬钙钛矿必须在较低氧气的局部压力具有最大的稳定性，且为氧气分离机能选择的材料必须为那些在较高局部氧气压力下具有高离子电导性的材料。
由于根据本发明，每一特点可与其它特点相结合，所以为简便本发明特点在一个或多个附图中仅示出。此外，在不脱离本发明思想的情况下，可对本发明作出多种改变和改进。可选择的实施例可被本领域有经验的技术人员识别且指向实施例应被包括在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1、一种用于使反应气流与由原料气流发出的氧气反应的工艺，其中所述原料气流包括元素氧和至少一种其它气体，该工艺使用了一种离子输送反应器，该反应器包括具有一滞留侧和一渗透侧的离子输送隔膜，该工艺包括：(a)使输入气流在离子输送隔膜的滞留侧流动；(b)使反应气流在离子输送隔膜的渗透侧流动，其中由与透过离子输送隔膜的气流反应的产生的热量被送至输入气流以加热输入气流，同时使离子输送隔膜的温度保持在离子输送隔膜的工作范围内。
2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述工作温度范围为大约500℃-1100℃。
3、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：在隔膜的整个长度上，沿离子输送隔膜的温度应保持基本恒定。
4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：沿离子输送隔膜的温度被相对恒定地保持在大约200℃的范围内。
5、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：氧气透过的阻力及反应动力被按比例分配以便使隔膜渗透侧的局部压力保持在10-16的大气压之上。
6、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：沿离子输送隔膜滞留面引导原料气流的流动，使其透过离子输送隔膜和管套之间的进气通道，以使气体扩散阻力达到最小。
7、根据权利要求6所述的工艺，其特征在于：向原料气体通道的热量传导至少由可变几何形状，可变隔板距离，可变节距螺旋垫片，及一可变厚度的绝缘垫片调整。
8、根据权利要求6所述的工艺，其特征在于：从由离子输送隔膜产生的反应热发出的至少一部分热量被送至流过离子输送反应器的液流。
9、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：原料气流被分为第一气流部分，该部分被导入反应器并产生用于与反应气流反应的氧气，从而生产热量，该热量随后被用于加热第一输入气流部分，该输入气流部分将热量送至包括离子输送分离膜的离子输送分离器组件，其中所述离子输送分离器隔膜具有一滞留侧和一透过侧，第二原料气流部分可流过所述滞留侧和透过侧且氧气沿透过侧被抽取。
10、一种用于分离含有元素氧和至少一种其它气体的原料气流的离子输送反应器，该反应器包括：
至少一个离子输送管，该离子输送管具有能够输送氧气的隔膜，离子输送隔膜具有滞留侧和透过侧，用于在气流沿滞留侧流动时，从原料气流中抽取氧气；
其中，使反应气流沿离子输送管组的隔膜透过侧流动以与透过该处的氧气反应；
其中，由离子输送管工作产生的反应热产生的至少部分热量被送至流过离子输送反应器的液流；
其中，至少一个热传导区域和热传导系数会随原料气流和离子输送隔膜之间的温度差逆向改变。
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