DE69823296T2

DE69823296T2 - Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem Membranreaktor

Info

Publication number: DE69823296T2
Application number: DE69823296T
Authority: DE
Inventors: Tomonori Chita-City Takahashi; Manabu Bisai-City Yoshida
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: US6403041B1; EP0904833A1; EP0904833B1; JP3821925B2; DE69823296D1; JPH1190210A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionen unter Verwendung eines Membran-Reaktionsgefäßes, welches Sauerstoffreaktionen unter Verwendung einer sauerstoffdurchlässigen Membran, die Sauerstoff aus sauerstoffhältigem Gas ein selektives Durchtreten ermöglicht, erleichtert.
Hintergrund der Erfindung
Eine sauerstoffdurchlässige Membran ist eine semipermeable Membran, welche Sauerstoff ein selektives Durchtreten, abhängig vom Partialdruck des Sauerstoffs auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran, ermöglicht. Die Membran besteht typischerweise aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, und Beispiele derartiger Materialien sind unter anderem Yttrium-stabilisiertes Zirconiumdioxid (YSZ), Calcium-stabilisiertes Zirconiumdioxid und Bismutoxid.
Es ist ebenfalls möglich, eine sauerstoffdurchlässige Membran mit einem Mischleiter, der sowohl Sauerstoffionen als auch Elektronen leitet, anstelle eines ausschließlich Ionen leitenden Festelektrolyts herzustellen. Beispielsweise sind YSZ-hältiges Titan und Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur, z. B. La-Sr-Co-O, La-Sr-Co-Fe-O und Sr-Co-O, bekannt.
Die Verwendung solcher sauerstoffdurchlässiger Membranen für Geräte zur Isolation von Sauerstoff oder Geräte für chemische Umsetzungen erfreute sich in jüngster Zeit zunehmender Beliebtheit. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent 5.306.411 einen eine feste Membran aus Metalloxidgemischen mit Perowskit-Struktur umfassenden elektrochemischen Reaktor (d. h. einen Mischleiter). Die feste Membran wird als elektrochemisches Transportmittel zum Transport von Sauerstoff aus einem sauerstoffhältigen Gas zu einem Ausgangsgas, zur Entfernung von Sauerstoff aus sauerstoffhältigen Verbindungen, zum Ermöglichen einer Substitution aromatischer Verbindungen und/oder zur Ermöglichung partieller Oxidationsreaktionen von Methan und Ethan verwendet.
Die JP-A-5-238961 und die JP-A-6-080590 beschreiben die oxidative Kupplung von Methan unter Verwendung von Membran-Reaktoren. Die japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-7-138191 offenbart ebenfalls einen Membran-Reaktor, der unter Verwendung von Oxiden mit Perowskit-Struktur, beispielsweise Sr-Co-Li-O und Sr-Co-Mg-O, als Membranverbindungen eine oxidative Kupplungsreaktion von Methan erleichtert. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Ausgabe, Band B8, "Plant and Process Safety", beschreibt allgemeine Aspekte der Reduktion von Explosionsrisiken.
Die oben beschriebenen Reaktionsgefäße stellen, im Vergleich zu den allgemein zur Erleichterung derartiger Reaktionen verwendeten Dampfphasenreaktionsgefäßen, eine höherwertige Selektivität der Reaktion bereit. Es gibt jedoch Probleme, die gelöst werden müssen, um einen sicheren Betrieb solcher Gefäße zu ermöglichen.
Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines nach dem Stand der Technik bekannten Reaktionsgefäßes. Das Reaktionsgefäß 21 umfasst eine Gefäßwand 22, die eine Kammer 28 für sauerstoffhältiges Gas und eine Ausgangsgas-Kammer 29 umgibt. Diese beiden Kammern sind durch eine sauerstoffdurchlässige Membran 23 hermetisch voneinander getrennt. Eine Zuleitung 24 für sauerstoffhältiges Gas und eine Ableitung 25 ermöglichen dem Gas ein Durchfließen der Kammer 28. Die Ausgangsgaszuleitung 26 und -ableitung 27 ermöglichen dem Gas ein Durchfließen der Kammer 29.
Anlass zur Sorge gibt die Tatsache, dass im Falle einer Beschädigung (z. B. Springen) der sauerstoffdurchlässigen Membran 23 eine große Menge an sauerstoffhältigem Gas, welches ausschließlich durch die sauerstoffdurchlässige Membran 23 in der Kammer 28 für sauerstoffhältiges Gas gehalten wird, in die Ausgangsgas-Kammer strömt oder dass umgekehrt eine große Menge an Ausgangsgas in die Kammer 28 für sauerstoffhältiges Gas strömt. In solchen Fällen großer Mengen besteht die Gefahr, dass die zwei Gase, miteinander gemischt, schnell reagieren und eine Explosion verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Reaktionsgefäß bereitzustellen, das sicherer zu bedienen ist und eine geringere Möglichkeit des Verursachens einer Explosion aufweist, und das sogar im Falle eines Springens oder einer Beschädigung der sauerstoffdurchlässigen Membran.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 dargelegt bereitgestellt. Vorzugsweise ist das Volumenverhältnis zwischen den beiden Gaskammern so angelegt, dass es außerhalb eines Bereichs liegt, in dem eine Explosion durch die direkte Vereinigung des sauerstoffhältigen Gases und der Reaktionsprodukte, die aus der Reaktion zwischen durch die sauerstoffdurchlässige Membran hindurchgetretenem Sauerstoff und dem Ausgangsgas resultieren, resultieren würde.
In einer bevorzugteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Volumenverhältnis der Kammer für sauerstoffhältiges Gas in Bezug auf das Gesamtvolumen (V_T) des Reaktionsgefäßes (d. h. das Volumen (V₀) der Kammer für sauerstoffhältiges Gas und das Volumen (V_S) der Ausgangskammer) weniger als 10%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Füllstoff in der Kammer für sauerstoffhältiges Gas und/oder in der Ausgangsgas-Kammer vorhanden, um das Volumen dieser Kammern aufeinander abzustimmen. Der Füllstoff ist vorzugsweise einer aus Metall, Keramik oder Glas, wobei alle in Bezug auf das sauerstoffhältige Gas, auf das Ausgangsgas und auf die Reaktionsprodukte, die aus der Reaktion zwischen vom sauerstoffhältigen Gas bereitgestellten Sauerstoff und dem Ausgangsgas resultieren, inert sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Natur und der Ziele der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Art der praktischen Umsetzung der Erfindung, gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen gelesen, Bezug genommen werden. In den Zeichnungen ist:
1A eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines für ein Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlichen Reaktionsgefäßes;
1B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IB-IB aus 1A;
2A eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines Reaktionsgefäßes nach dem Stand der Technik; und
2B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIB-IIB aus 2A.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines für ein Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendeten Reaktionsgefäßes. Das Reaktionsgefäß 1 umfasst eine Gefäßwand 2, die eine Kammer 8 für sauerstoffhältiges Gas und eine Ausgangsgas-Kammer 9 umgibt. Diese beiden Kammern sind durch eine sauerstoffdurchlässige Membran 3 voneinander getrennt. Eine Zuleitung 4 für sauerstoffhältiges Gas und eine Ableitung 5 ermöglichen dem sauerstoffhältigen Gas ein Durchfließen der Kammer 8. Die Ausgangsgaszuleitung 6 und -ableitung 7 ermöglichen dem Ausgangsgas ein Durchfließen der Kammer 9. Ein Füllstoff 10 ist in der Kammer 8 für sauerstoffhältiges Gas enthalten, um das Volumen (V₀) dieser Kammer in Bezug auf das Gesamtvolumen (V_T) des Gefäßes abzustimmen.
Das Reaktionsgefäß 1 setzt eine sauerstoffdurchlässige Membran 3 zur Ermöglichung eines selektiven Durchtritts von Sauerstoff aus dem sauerstoffhältigen Gas ein, das durch Kammer 8 hindurch zur Ausgangsgas-Kammer 9 fließt, um eine Reaktion des Sauerstoffs mit dem Ausgangsgas zu ermöglichen. Das sauerstoffhältige Gas und das Ausgangsgas werden kontinuierlich den Kammern 8 bzw. 9 zugeführt, um eine kontinuierliche Reaktion zwischen dem durch die Membran 3 hindurchtretenden Sauerstoff und dem in Kammer 9 befindlichen Ausgangsgas zu gewährleisten.
Als Ausgangsgas können Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, Ethan und aromatische Verbindungen, verwendet werden. Jedes dieser Ausgangsgase kann für partielle Oxidationsreaktionen und für Substitutionsreaktionen aromatischer Verbindungen verfügbar gemacht werden. Es ist ebenfalls möglich, das Ausgangsgas zur Entfernung von Sauerstoff aus dem der Kammer 8 zugeführten sauerstoffhältigen Gas zu verwenden.
Was das sauerstoffhältige Gas betrifft, so kann selbstverständlich auch Sauerstoff selbst verwendet werden, und zwar alleine oder als Gemisch mit anderen Gasen, beispielsweise Luft oder sauerstoffhältigen Verbindungen, z. B. Schwefeloxidverbindungen, Wasserstoffoxidverbindungen, Wasserdampf, Kohlendioxid und dergleichen. Die letzteren Gase können auch alleine verwendet werden.
Die sauerstoffdurchlässige Membran 3 kann jede Art von Membran sein, die zum selektiven Durchlass von Sauerstoff fähig ist. Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirconiumdioxid, Calciumoxid-stabilisiertes Zirconiumdioxid und Bismutoxid, oder Mischleiter mit Perowskit-Struktur, wie beispielsweise La-Sr-Co-O, La-Sr-Co-Fe-O, Sr-Co-O und Ca-Co-Fe-O, können verwendet werden. Es wird bevorzugt, Mischleiter dann zu verwenden, wenn keine Elektroden in der Reaktionskammer vorhanden sind.
Was die Form der sauerstoffdurchlässigen Membran 3 betrifft, so werden vorzugsweise Rohre oder Platten verwendet, so lange die Membran die Ausgangsgas-Kam mer von der Kammer für sauerstoffhältiges Gas trennen kann. Auch wenn in den Zeichnungen nur ein einzelnes röhrenförmiges Reaktionsgefäß dargestellt ist, wird die Verwendung einer Vielzahl an Gefäßen bevorzugt, um ausreichend Membranfläche zur Durchführung einer effizienten Reaktion zwischen dem vom sauerstoffhältigen Gas bereitgestellten Sauerstoff und dem in der Ausgangsgas-Kammer 9 fließenden Ausgangsgas bereitzustellen.
Die sauerstoffdurchlässige Membran kann unter Verwendung einer jeden bekannten Verbindung mittels eines jeden bekannten Verfahrens gebildet werden. Beispielsweise können fein gemahlene oder aufgeschlämmte Verbindungen, wie etwa die oben beschriebenen, durch Pressen, Extrudieren, Rakeln, Gießen, Spritzbeschichten und dergleichen gefolgt von angemessenen Wärmebehandlungen zur Bereitstellung der gewünschten Formen geformt werden. Es wird jedoch bevorzugt, eine dünne Membran aus sauerstoffionenleitendem Material durch Sputtern oder durch chemische Gasphasenabscheidung des sauerstoffionenleitenden Materials auf ein poröses Substrat zu bilden. Dies ermöglicht die Bildung einer äußerst dünnen Membran, welche den Transport einer großen Menge Sauerstoff durch sie gewährleistet. Die Membran sollte nicht so dünn sein, dass mögliche Gaslecks entstehen. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Membran 1–80 Mikrometer. Obwohl es keine Einschränkungen für das Material des porösen Substrats gibt, werden Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Perowskit-Verbindungen und Metalle bevorzugt.
Was das Material des Reaktionsgefäßes betrifft, so kann jedwedes Material verwendet werden, so lange es beständig gegenüber Druck, Wärme und Korrosion ist. Metalle wie SUS und Glas sind Beispiele für Materialien, die diese Kriterien erfüllen. Insgesamt sollte die Form des Reaktionsgefäßes 1 der der Membran 3 ähneln. Ein Beispiel für eine mögliche Struktur des Reaktionsgefäßes ist eine doppelschichtige Röhrenstruktur, welche eine röhrenförmige sauerstoffdurchlässige Membran innerhalb einer zylindrischen Reaktionswand 2 angeordnet umfasst. Es ist natürlich möglich, dass sich innerhalb einer einzigen Reaktionswand 2 eine Vielzahl von röhrenförmigen, sauerstoffdurchlässigen Membranen befinden, sodass ein gemeinsamer Sammelraum als die Kammer für das sauerstoffhältige Gas und eine Vielzahl von Aus gangsgas-Kammern innerhalb einer jeden röhrenförmigen, sauerstoffdurchlässigen Membran abgegrenzt werden.
Unabhängig von der Gesamtkonstruktion des Reaktionsgefäßes muss die sauerstoffdurchlässige Membran 3 einen luftdichten Verschluss zwischen der Kammer 8 für sauerstoffhältiges Gas und der Ausgangsgas-Kammer 9 bereitstellen. Wie oben beschrieben umfassen sowohl die Kammer für sauerstoffhältiges Gas als auch die Ausgangsgas-Kammer angemessene Zu- und Ableitungen, um eine kontinuierliche Zufuhr an sauerstoffhältigem Gas bzw. an Ausgangsgas zu gewährleisten. Die aus der Reaktion zwischen Sauerstoff und Ausgangsgas resultierenden Reaktionsprodukte werden aus dem Reaktionsgefäß gemeinsam mit jeglichem nichtumgesetzten Ausgangsgas durch die Ableitung 7 der Ausgangsgas-Kammer 9 entfernt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung muss das Volumenverhältnis zwischen Ausgangsgas-Kammer 9 und der Kammer 8 für sauerstoffhältiges Gas außerhalb eines Bereichs liegen, in dem bei direkter Vermischung der beiden Gase eine Explosion stattfinden würde. Dieser Explosionsbereich variiert natürlich je nach verwendetem sauerstoffhältigem Gas und Ausgangsgas, sodass das Reaktionsgefäß auf Grundlage der spezifischen Arten an im Reaktionsgefäß zu verwendenen Gasen konstruiert und bemessen sein muss. Durch ein derartiges Bemessen der Kammern wird das Explosionsrisiko bei der Reaktion wesentlich verringert, da beispielsweise die Menge an zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Reaktionsgefäß vorhandenem sauerstoffhältigem Gas außerhalb des Bereichs liegt, in dem bei direkter Vermischung der beiden Gase eine Explosion als Folge der sauerstoffdurchlässigen Beschädigung der Membran stattfinden würde.
So wie hierin verwendet bezieht sich die Explosionsschwelle auf einen Schwellwert, bei dem eine direkte Mischung des Ausgangsgases und des sauerstoffhältigen Gases in eine Explosion münden würde. Im Allgemeinen wird dieser Schwellwert unter Verwendung von Ober- und Untergrenzen des Volumens der Ausgangsgases in Bezug auf das Gesamtvolumen des Ausgangsgases plus dem Volumen des sauerstoffhältigen Gases definiert. Folglich sollte das Volumenverhältnis zwischen der Aus gangsgas-Kammer und dem Gesamtvolumen des Reaktionsgefäßes unter dem unteren Grenzwert oder über dem oberen Grenzwert für das bestimmte verwendete sauerstoffhältige Gas und das Ausgangsgas liegen. Wird beispielsweise Methan als Ausgangsgas und Luft als sauerstoffhältiges Gas verwendet, liegen der untere und der obere Grenzwert bei 5% bzw. 15%, und das Volumenverhältnis der Ausgangsgas-Kammer in Bezug auf das Volumenverhältnis des gesamten Gefäßes sollte unter 5% oder über 15% betragen, um außerhalb des Schwellenbereichs einer Explosion zu liegen. Das bedeutet, dass 5% < V_S/V_T < 15% (worin V_T = V_S + V₀) den Schwellenbereich einer Explosion definiert.
Der Schwellenbereich einer Explosion ist von Druckunterschieden in den beiden Kammern sowie von den Temperaturen und den Partialdrücken in den beiden Kammern abhängig. Üblicherweise werden die Schwellenbereiche durch Versuche festgelegt.
Der Schwellenbereich einer Explosion wird mit hoher Temperatur und/oder hohem Druck größer. Der Bereich von Methan liegt bei 3–20% bei 700°C. Wenn die Sauerstoffkonzentration unter dem Grenzwert für Sauerstoffkonzentration liegt, wird ein Gasgemisch kein explosives Gasgemisch. Beispielsweise bildet Propan kein explosives Gasgemisch, wenn die Sauerstoffkonzentration nicht mehr als 10% beträgt. Deshalb sollte die Konzentration niedrig sein, d. h. das Volumen an sauerstoffhältigem Gas sollte gering sein.
Zusätzlich zu dem Obgenannten tendieren die Reaktionsprodukte, falls die Geschwindigkeit der Bildung der Reaktionsprodukte hoch oder die Geschwindigkeit des Einspritzens des Ausgangsgases langsam ist, dazu, auf der Seite der Ausgangsgas-Kammer der sauerstoffdurchlässigen Membran zu verweilen. Demgemäß muss auch der Explosionsschwellenwert der Reaktionsprodukte, falls eine direkte Vermischung dieser mit dem sauerstoffhältigen Gas zugelassen wird, berücksichtigt werden.
Im Allgemeinen folgt der Explosionsschwellwert dem Gesetz von Le Chatelier, wie in (1) unten beschrieben. Es ist möglich, die Wahrscheinlichkeit einer Explosion durch Festsetzen des Volumenverhältnisses der Ausgangsgaskammer außerhalb des Schwellenbereiches, innerhalb dessen es im Falle einer direkten Mischung des sauerstoffhältigen Gases mit dem Ausgangsgas und/oder Produkten der Reaktion zwischen Sauerstoff und Ausgangsgas zu einer Explosion kommen würde, zu reduzieren. L = 100/((n1/L1) + (n2/L2)...)... (1)worin
L: Explosionsgrenzwert des Gasgemischs (%),
n1: Volumenverhältnis des ersten Elements des Gasgemischs (%),
L1: Explosionsgrenzwert des ersten Elements des Gasgemischs (%),
n2: Volumenverhältnis des zweiten Elements des Gasgemischs (%) und
L2: Explosionsgrenzwert des zweiten Elements des Gasgemischs (%) ist.
In dem oben genannten Beispiel von Methan und Luft ist das Reaktionsprodukt Ethan (und Wasser). Beträgt der untere Grenzwert von Ethan 3% und der obere Grenzwert 12,5%, so muss das Volumenverhältnis der Ausgangsgas-Kammer weniger als 3% (der untere Explosionsgrenzwert für Ethan) oder mehr als 15% (der obere Explosionsgrenzwert für Methan) betragen. Das heißt, 3% < V_S/V_T < 15% definiert den Explosionsschwellenbereich.
Es ist möglich, das Volumenverhältnis der Kammern entweder unterhalb oder oberhalb der oben beschriebenen Unter- und Obergrenzen festzulegen. Die folgende Tabelle zeigt jedoch, dass der Explosionsschwellwert für gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Methan und Ethan und für aromatische Verbindungen wie Benzol und Toluol, welche typischerweise in Reaktionsgefäßen als Ausgangsgase eingesetzt werden, sehr stark zur Seite der niedrigen Konzentration des Ausgangsgases hin tendiert. Das bedeutet, dass es schwierig ist, das Volumenverhältnis der Ausgangsgas-Kammer unter dem unteren Grenzwert des Explosionsschwellenbereichs zu halten, da solche Gase wie die oben beschriebenen nur kleine Abweichungen an der Seite des unteren Grenzwerts zulassen. Umgekehrt ist es jedoch relativ einfach, die Volumenverhältnisse oberhalb des oberen Grenzwerts des Explosionsschwellenbereichs festzusetzen.
Tabelle 1
Im Membran-Reaktionsgefäß der vorliegenden Erfindung bestimmt die Bewegung des Sauerstoffs durch die sauerstoffdurchlässige Membran 3 hindurch die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion zwischen dem hindurchgetretenen Sauerstoff und dem in der Ausgangsgas-Kammer 9 befindlichen Ausgangsgas stattfindet. Die chemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Ausgangsgas vollzieht sich an der Seite der Ausgangsgas-Kammer der sauerstoffdurchlässigen Membran 3. Demgemäß hat das Volumenverhältnis der Ausgangsgas-Kammer 9 selbst keine wirkliche Auswirkung auf die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion stattfindet. Deshalb kann, solange das sauerstoffhältige Gas und das Ausgangsgas kontinuierlich durch die Kammern 8 bzw. 9 bereitgestellt werden, das Volumenverhältnis der Ausgangsgas-Kammer 9 an jedem gewünschten Wert festgelegt werden, ohne sich auf die oben beschriebenen unteren und oberen Explosionsgrenzwerte zu beziehen. Das Volumenverhältnis der Kammer für sauerstoffhältiges Gas muss jedoch so festgesetzt werden, dass der Bereich, innerhalb dessen im Falle einer direkten Mischung der beiden Gase (oder des Sauerstoffs und der Reaktionsprodukte) eine Explosion stattfinden würde, vermieden wird.
Angesichts des oben Beschriebenen wird ein relativ kleines Volumenverhältnis für die Kammer für sauerstoffhältiges Gas herangezogen. Vorzugsweise liegt das Volumen (V₀) der Kammer für sauerstoffhältiges Gas bei unter 30% des Gesamtvolumens (V_T) des Gefäßes selbst, noch bevorzugter bei unter 10%. Die Größe der Kammer für sauerstoffhältiges Gas wird nur durch ihre Fähigkeit, der sauerstoffdurchlässigen Membran ausreichend Sauerstoff für eine effiziente Reaktion mit dem Ausgangsgas bereitzustellen, eingeschränkt.
Im Falle von gesättigten Kohlenwasserstoffen wie Methan und Ethan und von aromatischen Verbindungen wie Benzol und Toluol sollte die Verwendung einer Kammer für sauerstoffhältiges Gas mit einem Volumenverhältnis von unter 30% einen sicheren Betrieb gewährleisten, da 30% weit weniger ist als das, was für das Auslösen einer Explosion im Falle eines Springens oder Reißens der sauerstoffdurchlässigen Membran nötig ist. Diese Sicherheitsmaßnahme wird durch ein Senken des Volumenverhältnisses der Kammer für sauerstoffhältiges Gas auf unter 10% sogar weiter verstärkt. Dieser bevorzugtere Bereich garantiert auch, dass zu jedem beliebigen Zeitpunkt immer nur eine relativ kleine Menge an Sauerstoff im Reaktionsgefäß vorhanden ist. Andere Faktoren, wie Temperatur und Druck, müssen beim Konzipieren des Reaktionsgefäßes ebenfalls berücksichtigt werden, da diese Faktoren die Effizienz der Reaktion beeinflussen.
Es gibt zahlreiche Verfahren zur Festsetzung des Volumenverhältnisses der Kammer für sauerstoffhältiges Gas, in Bezug auf das Gesamtvolumen des Reaktionsgefäßes, auf 30%. Ein Verfahren bestünde in der Wahl des Volumens der Ausgangsgas-Kammer und in der anschließenden angemessenen Bemessung des Volumens der Kammer für sauerstoffhältiges Gas, sodass Letzteres unter 50% des Gesamtvolu mens des Gefäßes ausmacht. So wird die Möglichkeit einer Explosion während des Betriebs des Reaktionsgefäßes vermieden, und die Gesamtgröße des Gefäßes wird ebenfalls verringert. Ein weiteres Verfahren ist in den 1A und 1B aufgezeigt, worin ein Füllstoff 10 in die Kammer 8 für sauerstoffhältiges Gas eingebracht wird. Wie oben bereits erklärt, muss der Füllstoff 10 aus einem gegenüber dem sauerstoffhältigen Gas inerten Material bestehen. Dieses Verfahren ermöglicht die rückwirkende Anpassung eines bestehenden Reaktionsgefäßes, sodass das Volumen der Kammer für sauerstoffhältiges Gas weniger als 50% des Gesamtvolumens des Reaktionsgefäßes beträgt.
Es ist ebenfalls möglich, den Füllstoff der Ausgangsgas-Kammer zuzusetzen, zusätzlich zu oder getrennt von dem der Kammer für sauerstoffhältiges Gas zugesetzten Füllstoff, um das Volumenverhältnis der Kammern außerhalb der oben beschriebenen Grenzwerte des Explosionsschwellenbereichs einzustellen.
Wird der Füllstoff in der Kammer für sauerstoffhältiges Gas eingesetzt, muss der Füllstoff aus einem Material sein, welches den der Kammer zuzuführenden sauerstoffhältigen Gasen gegenüber inert ist. Dasselbe gilt für den Fall der Verwendung in der Ausgangsgas-Kammer, insofern als das Material gegenüber allen dieser Kammer zuzuführenden Ausgangsgase inert sein muss. Metalle, wie beispielsweise Edelstahl, Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid, und Glas, wie beispielsweise Kristallglas, können in jeder der Kammern verwendet werden und können jede notwendige Form annehmen, z. B. helixförmige Einsatzstücke, mehrere stabförmige, in Längsrichtung ausgerichtete Konstruktionsteile und dergleichen.
Dies lässt ebenfalls die Option offen, das Reaktionsgefäß an den Betrieb mit verschiedenen sauerstoffhältigen Gasen und Ausgangsgasen anzupassen. Beispielsweise unterscheiden sich die Explosionsgrenzwerte eines Luft/Methangemischs von den Explosionsgrenzwerten eines Luft/Benzolgemischs. Demgemäß könnten der Kammer für sauerstoffhältiges Gas und/oder der Ausgangsgas-Kammer Füllstoffe verschiedener Größen zugesetzt werden, um zu gewährleisten, dass die Volumen verhältnisse der Kammern außerhalb der Explosionsgrenzwerte des bestimmten verwendeten Gases liegen.
Nun wird die Herstellung einer sauerstoffdurchlässigen Membran beschrieben.
Lanthanoxid, Strontiumcarbonat und Cobaltoxid werden in einem Molverhältnis von 0,2 : 0,8 : 1 gemischt und dann auf 1.000°C erwärmt, um ein La_0,2Sr_0,8CoO_3–x Pulver zu erhalten. Eine 67%ige Aufschlämmung wird daraufhin unter Verwendung von 40 g des Pulvers, gemischt mit 20 g Ethanol, hergestellt. Mit dieser Aufschlämmung wird dann ein röhrenförmiges, poröses Aluminiumoxidsubstrat mit einem äußeren Durchmesser von 8 mm und einem inneren Durchmesser von 5 mm, einer Länge von 150 mm und einer Porosität von 30% beschichtet. Das beschichtete Rohr wird dann bei 1.200°C wärmebehandelt, um eine röhrenförmige, sauerstoffdurchlässige Membran bereitzustellen.

Claims

Verfahren zur Durchführung der Reaktion eines sauerstoffhältigen Gases mit einem Ausgangsgas unter Verwendung eines Reaktionsgefäßes, das eine Kammer (8) für sauerstoffhältiges Gas umfasst, die durch eine sauerstoffdurchlässige Membran (3) von einer Ausgangsgas-Kammer (9) getrennt ist, worin Sauerstoff selektiv durch die Membran durchtritt, um mit Ausgangsgas in der Ausgangsgas-Kammer in Kontakt zu treten und zu reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Verhältnisse (i) zwischen dem Volumen V₀ der Kammer (8) für sauerstoffhältiges Gas und dem Gesamtvolumen V_T des Gefäßes und (ii) zwischen dem Volumen V_S der Ausgangsgas-Kammer (9) und dem Gesamtvolumen V_T des Gefäßes außerhalb des Bereichs liegt, in dem eine Explosion stattfinden würde, wenn das sauerstoffhältige Gas und das Ausgangsgas direkt vereinigt werden würden, und dass das Volumen der Kammer für sauerstoffhältiges Gas 30% oder weniger des Gesamtvolumens des Gefäßes beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin zumindest eines der Verhältnisse (i) zwischen dem Volumen V₀ der Kammer (8) für sauerstoffhältiges Gas und dem Gesamtvolumen V_T des Gefäßes und (ii) zwischen dem Volumen V_S der Ausgangsgas-Kammer (9) und dem Gesamtvolumen V_T des Gefäßes außerhalb des Bereichs liegt, in dem eine Explosion stattfinden würde, wenn das sauerstoffhältige Gas und Produkte, die aus Reaktionen zwischen durch die sauerstoffdurchlässige Membran hindurch zugeführtem Sauerstoff und dem Ausgangsgas resultieren, direkt vereinigt werden würden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Volumen der Kammer für sauerstoffhältiges Gas 10% oder weniger des Gesamtvolumens des Gefäßes beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem einen Füllstoff (10) umfasst, der in zumindest einer von Kammer (8) für sauerstoffhältiges Gas und Ausgangsgas-Kammer (9) enthalten ist, um deren Volumen zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 4, worin der Füllstoff in der Kammer für sauerstoffhältiges Gas enthalten ist und ein Material umfasst, das gegenüber dem sauerstoffhältigen Gas inert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin der Füllstoff in der Ausgangsgas-Kammer enthalten ist und ein Material umfasst, das gegenüber dem Ausgangsgas inert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin der Füllstoff (10) zumindest ein Material umfasst, das aus Metall, Keramik und Glas ausgewählt ist.