EP2519340A1 - Device and method for controlling the permeation of oxygen through non-porous ceramic membranes which conduct oxygen anions, and the use thereof - Google Patents
Device and method for controlling the permeation of oxygen through non-porous ceramic membranes which conduct oxygen anions, and the use thereofInfo
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Definitions
- Oxygen anions and electrons offer, for example, a possibility for the separation of oxygen from gas mixtures such as air.
- Such materials can be derived, for example, from the group of perovskite (ABO 3 ) or perovskite-related structures, from the Aurivillius structures ([ ⁇ 2 ⁇ 2 ] [ ⁇ ⁇ ⁇ ]) or from the brownmillerite structures (A 2 B 2 O 5 ).
- ABO 3 group of perovskite
- perovskite-related structures from the Aurivillius structures ([ ⁇ 2 ⁇ 2 ] [ ⁇ ⁇ ⁇ ]) or from the brownmillerite structures (A 2 B 2 O 5 ).
- composition of the membrane is highly dependent on the operating conditions (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K. J. Caspary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4).
- Another application is the interception of temperature fluctuations in the
- the contacting of the ceramic membrane with gaseous carbon dioxide can be done in different ways.
- a selected amount of gaseous carbon dioxide can be added to the oxygen-containing gas for a specific time interval, or the gas containing oxygen can be added for a specific time
- the abovementioned mixed conductors for oxygen separation are typically ceramic materials which have the capability of conducting oxygen anions at temperatures of usually> 600 ° C.
- the type A cations are especially selected from second main group cations, the first
- the inventive method can be used in any arrangements in which the rate of oxygen permeation through a non-porous oxygen anions conductive ceramic membrane must be set specifically.
- the membrane reactor additionally has I) a regulator which permits the adjustment of the content of gaseous carbon dioxide introduced into the gas space by control device G as a function of the permeation rate of oxygen detected by sensor H).
- a regulator which permits the adjustment of the content of gaseous carbon dioxide introduced into the gas space by control device G as a function of the permeation rate of oxygen detected by sensor H).
- Such regulators are commercially available.
- the regulation of the CO 2 content in the gas space ie the adjustment of the required concentration, usually takes place via a controller controlled by software.
- a controller controlled by software for example, set via a controlled by software control valve, the corresponding flow.
- the control valve with the flow measuring device is integrated in one unit.
- the preferred oxidation reactions are, for example, the partial oxidation of a hydrocarbon-containing gas mixture to produce synthesis gas or the oxidative dehydrogenation of hydrocarbons or the oxidative coupling of methane.
Abstract
The invention relates to a method for controlling the permeation rate of oxygen through a non-porous ceramic membrane which conducts oxygen anions and which contains alkaline earth ions. Carbon dioxide and/or a gaseous carbon dioxide precursor is added for a specified time on at least one face of the non-porous ceramic membrane which conducts oxygen anions, said addition enabling a change in the oxygen permeability of the membrane material. This causes a reversible chemical formation of alkaline earth carbonates in the membrane and thereby changes the properties thereof for the permeation of oxygen. A membrane reactor designed with a feed line for a moderating gas can be controlled in a simple manner. The membrane reactor can be advantageously adjusted for oxidation reactions or for separating oxygen from gas mixtures.
Description
Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Sauerstoffpermeation durch nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membranen und deren Verwendung Apparatus and method for controlling the oxygen permeation through non-porous oxygen anions conductive ceramic membranes and their use
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Abtrennen von Sauerstoff aus Gasgemischen mittels nicht-poröser Sauerstoffanionen leitender keramischer Membranen sowie einen verbesserten Reaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen. The present invention relates to an improved process for separating oxygen from gas mixtures by means of non-porous oxygen anion conductive ceramic membranes and to an improved reactor for carrying out chemical reactions.
Es ist bekannt, dass nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membranen zur Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen genutzt werden können. It is known that non-porous oxygen anions conductive ceramic membranes can be used for the separation of oxygen from gas mixtures.
Eine Teilgruppe der nicht-porösen Sauerstoffanionen leitenden keramischen A subset of non-porous oxygen anions conductive ceramic
Membranen sind Sauerstoffanionen leitende und Elektronen leitende (gemischtleitende) Membranen, z.B. solche mit der Fähigkeit zur gleichzeitigen Leitung von Membranes are oxygen anion conductive and electron conductive (mixed conducting) membranes, e.g. those with the ability to co-lead
Sauerstoffanionen und von Elektronen. Diese bieten beispielsweise eine Möglichkeit zur Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen wie etwa Luft. Oxygen anions and electrons. These offer, for example, a possibility for the separation of oxygen from gas mixtures such as air.
Grundgedanke dabei ist ein System, in dem eine Membran zur Trennung zweier Gasräume mit unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck genutzt wird. Im Betrieb wird Sauerstoff an der Membran auf der Seite des höheren Sauerstoffpartialdruckes The basic idea is a system in which a membrane is used to separate two gas chambers with different oxygen partial pressure. In operation, oxygen at the membrane becomes on the side of higher oxygen partial pressure
(Feedseite) entsprechend (Feed page) accordingly
02 + 4 e~ -» 2 02" (1 ) ionisiert und über Gitterfehistehlen in der Kristallstruktur des Materials zur Seite des niedrigeren Sauerstoffpartialdruckes (Permeatseite) transportiert.
Auf der Permeatseite wird der Sauerstoff anschließend entsprechend 0 2 + 4 e ~ - »2 0 2" (1) and transported via lattice defects in the crystal structure of the material to the side of lower oxygen partial pressure (permeate side). On the permeate side, the oxygen is then correspondingly
2 O2' -> 02 + 4 e (2) wieder freigesetzt. 2 O 2 ' -> 0 2 + 4 e (2) released again.
Für jedes auf der Permeatseite in den Reaktionsraum abgegebene 02-Molekül wird die Ladung von 4 e frei, welche entgegen der Richtung des Sauerstoffionenflusses zur Feedseite transportiert wird. For each 0 2 molecule released into the reaction space on the permeate side, the charge of 4 e becomes free, which is transported counter to the direction of the oxygen ion flow to the feed side.
Bei gemischtleitenden Membranen erfolgt der Ladungsausgleich durch eine Elektronenleitung im Membranmaterial selbst. In mixed-conducting membranes, the charge compensation takes place by an electron conduction in the membrane material itself.
Anstelle von gemischtleitenden Materialien sind auch Kompositmaterialien aus Instead of mixed conductive materials are also composite materials
Sauerstoffanionen leitenden und Elektronen leitenden Materialien bekannt, bei denen der Ladungsausgleich über eine Elektronen leitende zweite Phase in inniger Mischung mit dem Sauerstoffanionen leitenden Material erfolgt. Oxygen anions conductive and electron-conducting materials known in which the charge equalization via an electron-conducting second phase takes place in intimate mixture with the oxygen anions conducting material.
Ebenso bekannt sind reine Sauerstoffanionenleiter, wie etwa Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, wobei der Ladungsausgleich während der Sauerstoffpermeation über einen externen Stromkreis erfolgt. Also known are pure oxygen anions, such as yttria-stabilized zirconia, wherein the charge balance occurs during oxygen permeation via an external circuit.
Bei den genannten Materialien zur Sauerstoffabtrennung handelt es sich typischerweise um keramische Materialien, welche bei Temperaturen von üblicherweise >600°C über die Fähigkeit zur Leitung von Sauerstoffanionen verfügen. Typically, these oxygen scavenging materials are ceramic materials which have the ability to conduct oxygen anions at temperatures typically> 600 ° C.
Derartige Materialien können beispielsweise der Gruppe der Perowskit- (AB03) bzw. perowskitverwandten Strukturen, der Aurivilliusstrukturen ([Βί2θ2][Αη-ιΒηΟχ]) oder der Brownmilleritstrukturen (A2B2O5) entstammen. Such materials can be derived, for example, from the group of perovskite (ABO 3 ) or perovskite-related structures, from the Aurivillius structures ([Βί 2 θ 2 ] [Α η ιΒηΟχ]) or from the brownmillerite structures (A 2 B 2 O 5 ).
Typische Beispiele für in der Literatur als sauerstoffleitende Materialien aufgeführte Systeme sind
Ba(Sr)Coi-xFex03-5, Sr(Ba)Ti(Zr)1-x-y,
CoyFex03-5, Lai-xSrxGai-yFeyOa-s, La0,5Sro,5Mn03-6, LaFe(Ni)03-5, Lao,9Sr0,iFeO3-soder BaCoxFeyZri-x.yOa-s. (A. Thursfield, I. S. Metcalfe, Journal of Material Science 2004, 14, 275-2485; Y. Teraoka, H. Zhang, S. Furukawa, N. Yamazoe, Chemistry Letters 1985, 1743-1746; Y. Teraoka, T. Nobunaga, K. Okamoto, N. Miura, N. Yasmazoe, Solid State lonics 1991 , 48, 207-212; J. Tong, W. Yang, B. Zhu, R. Cai, Journal of Membrane Science 2002, 203, 175-189). Typical examples of systems listed as oxygen-conducting materials in the literature are Ba (Sr) Coi -x Fex0 3- 5, Sr (Ba) Ti (Zr) 1-xy, Co y Fe x 0 3 5, Lai-xSrxGai-yFeyOa-s, La 0, 5Sro, 5Mn03-6, LaFe (Ni) 03-5, Lao, 9SR 0, IFEO 3 -S or BaCoxFe Zri y-x. Y oa-s. (Thursfield, IS Metcalfe, Journal of Material Science 2004, 14, 275-2485; Y. Teraoka, H. Zhang, S. Furukawa, N. Yamazoe, Chemistry Letters 1985, 1743-1746; Y. Teraoka, T. Nobunaga, K. Okamoto, N. Miura, N. Yasmazoe, Solid State Ionics 1991, 48, 207-212, J. Tong, W. Yang, B. Zhu, R. Cai, Journal of Membrane Science 2002, 203, 175 -189).
Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation neben der It is known that the rate of oxygen permeation in addition to the
Zusammensetzung der Membran stark von den Betriebsbedingungen abhängig ist (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K.J. Caspary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4). The composition of the membrane is highly dependent on the operating conditions (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K. J. Caspary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4).
Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Temperatur, welche im allgemeinen einen linearen bis exponentiellen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation hat. Of particular importance here is the temperature, which generally has a linear to exponential influence on the rate of oxygen permeation.
Eine mögliche Anwendung derartiger Membranen ist die Gewinnung von Synthesegas durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen (z. B. WO 2007/068369 A1 ). Andere Anwendungsmöglichkeiten liegen beispielsweise in der Gewinnung von mit Sauerstoff angereicherter Luft (z.B. DE 10 2005 006 571 A1 ), der oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenwasserstoffderivaten, der oxidativen Kupplung von Methan oder der Gewinnung von Sauerstoff für Kraftwerksanwendungen (H. Wang, Y. Cong, X. Zhu, W. Yang, React. Kinet. Catal. Lett. 2003, 79, 351-356; X. Tan, K. Li, Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 142-149; R. Bredesen, K. Jordal, O. Bolland, Chemical Engineering and Processing 2004, 43, 1129-1158). A possible application of such membranes is the recovery of synthesis gas by partial oxidation of hydrocarbons (eg WO 2007/068369 A1). Other applications are, for example, in the recovery of oxygen-enriched air (eg DE 10 2005 006 571 A1), the oxidative dehydrogenation of hydrocarbons or hydrocarbon derivatives, the oxidative coupling of methane or the production of oxygen for power plant applications (H. Wang, Y. Cong, X. Zhu, W. Yang, React., Kinet. Catal. Lett 2003, 79, 351-356; X. Tan, K. Li, Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 142-149; R. Bredesen, K. Jordal, O. Bolland, Chemical Engineering and Processing 2004, 43, 1129-1158).
Bei der Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen und der sich gegebenenfalls daran anschließenden Oxidation eines gasförmigen Reaktanten, beispielsweise bei der Darstellung von Synthesegas durch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen, kann ein Membranreaktor eingesetzt werden, welcher durch eine Sauerstoffanionen leitende keramische Membran in zwei Räume unterteilt ist, den sogenannten Feedraum
und den Permeatraum. Die keramische Membran weist also eine Feedseite und eine Permeatseite auf. In the separation of oxygen from gas mixtures and the optionally subsequent oxidation of a gaseous reactant, for example in the synthesis of synthesis gas by the partial oxidation of hydrocarbons, a membrane reactor can be used, which is divided by a oxygen anions conductive ceramic membrane into two spaces, the so-called feed room and the permeate room. The ceramic membrane thus has a feed side and a permeate side.
Im Betrieb wird auf der Feedseite der keramische Membran ein Sauerstoff lieferndes Gas(gemisch) und/oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch, wie etwa Luft, und auf der Permeatseite ein oxidierbares Medium, wie etwa Methan, das gegebenenfalls mit weiteren Komponenten, wie Wasserdampf, vermischt sein kann, vorgelegt. Im Betrieb permeiert Sauerstoff von der Seite des höheren Sauerstoffpartialdruckes kommend durch die Membran in den Permeatraum und reagiert mit dem dort befindlichen oxidierbaren Medium. In operation, on the feed side of the ceramic membrane is an oxygen-providing gas (mixture) and / or an oxygen-containing gas mixture, such as air, and on the permeate side an oxidizable medium, such as methane, optionally mixed with other components, such as water vapor can be submitted. In operation, oxygen permeates from the side of the higher oxygen partial pressure through the membrane into the permeate space and reacts with the oxidizable medium located there.
Alternativ kann das oxidierbare Medium erst nach dem Permeatraum dem mit Sauerstoff angereichertem Gasgemisch zugeführt werden. Da der Sauerstoff auf der Permeatseite ständig abreagiert bzw. entfernt wird, liegt der Sauerstoffpartialdruck der Permeatseite unter dem Sauerstoffpartialdruck der Feedseite. Alternatively, the oxidizable medium can be supplied to the oxygen-enriched gas mixture only after the permeate space. Since the oxygen on the permeate side is constantly reacted or removed, the oxygen partial pressure of the permeate side is below the oxygen partial pressure of the feed side.
Daher kann beispielsweise auf der Feedseite Luft mit einem mehr oder weniger beliebigen Druck eingesetzt werden, während gleichzeitig auf der Permeatseite ein deutlich erhöhter Druck herrscht. Als untere Grenze für den Druck auf der Feedseite gilt, dass der Sauerstoffpartialdruck der Feedseite über dem Sauerstoffpartialdruck der Permeatseite liegen muss. Therefore, for example, air with a more or less arbitrary pressure can be used on the feed side, while at the same time there is a significantly increased pressure on the permeate side. The lower limit for the pressure on the feed side is that the oxygen partial pressure of the feed side must be above the oxygen partial pressure of the permeate side.
Um bei der Durchführung von Oxidationsreaktionen, beispielsweise bei der Herstellung von Synthesegas, akzeptable Reaktionsgeschwindigkeiten und damit auch integrale Selektivitäten auf der Permeatseite zu erreichen, wird typischerweise in dem In order to achieve acceptable reaction rates and thus also integral selectivities on the permeate side in carrying out oxidation reactions, for example in the production of synthesis gas, is typically in the
Reaktionsraum des Reaktors ein geeigneter Katalysator eingesetzt. Beispiele dafür finden sich etwa in EP 0 999 180 A2, EP 1 035 072 A1 , US 6,077,323 oder Reaction space of the reactor used a suitable catalyst. Examples thereof can be found, for example, in EP 0 999 180 A2, EP 1 035 072 A1, US Pat. No. 6,077,323 or US Pat
US 6,695,983. US 6,695,983.
Aus US 5,240,473 A ist bekannt, dass die Permeationsfähigkeit für Sauerstoffanionen durch Membranen aus Mehrkomponenten-Metalloxiden bei hohen Temperaturen
abnehmen kann. Dieses wird durch Reaktion von Membranbestandteilen mit Kohlendioxid, Wasser oder Kohlenwasserstoffen verursacht. In dieser Patentschrift wird vorgeschlagen, die Permeationsfähigkeit der Membran wieder herzustellen, indem man die Membran für eine bestimmte Zeit auf Temperaturen von größer als 810°C aufheizt und damit oberhalb der Betriebstemperaturen von 600 bis 800°C hält. Durch wiederholtes Aufheizen nach vorgegebenen Betriebsintervallen lässt sich die Permeationsfähigkeit der Membran wieder herstellen und damit dauerhaft sicherstellen. From US 5,240,473 A it is known that the permeability ability for oxygen anions by membranes of multi-component metal oxides at high temperatures can lose weight. This is caused by reaction of membrane constituents with carbon dioxide, water or hydrocarbons. In this patent, it is proposed to restore the permeation of the membrane by heating the membrane for a certain time to temperatures greater than 810 ° C and thus keeps above the operating temperatures of 600 to 800 ° C. Repeated heating after specified operating intervals allows the permeation capability of the membrane to be restored and thus permanently ensured.
Ein Hauptproblem der beschrieben keramischen Membranreaktoren ergibt sich aus der Regelung des Systems. A major problem of the described ceramic membrane reactors arises from the control of the system.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb kann es immer wieder vorkommen, dass die In normal operation, it can happen again and again that the
Sauerstoffpermeation durch die Membran variiert werden muss oder zeitweise sogar komplett zum Erliegen gebracht werden muß. Ein typischer Anwendungsfall hierfür sind Wartungsarbeiten an Anlagenbestandteilen außerhalb des Membranreaktors. Oxygen permeation through the membrane must be varied or even temporarily brought to a standstill. A typical application for this are maintenance work on equipment components outside the membrane reactor.
Ein weiterer Anwendungsfall ist das Abfangen von Temperaturschwankungen im Another application is the interception of temperature fluctuations in the
Membranreaktor. Kommt es aufgrund äußerer Einflüsse während des Betriebes zu einer Erhöhung der Betriebstemperatur, so erhöht sich die Geschwindigkeit der Sauerstoff- permeation durch die keramische Membran. Membrane reactor. If, due to external influences during operation, the operating temperature is increased, the rate of oxygen permeation through the ceramic membrane increases.
In der Folge wird die chemische Reaktion auf der Permeatseite beschleunigt. Durch diese Umsetzung wird bei exothermen Reaktionen Wärme frei, wodurch erneut die Temperatur steigt. Sofern ein solcher Betriebszustand nicht durch entsprechende Regelungen abgefangen wird, kann es zu einem Durchgehen des Membranreaktors kommen. As a result, the chemical reaction on the permeate side is accelerated. This reaction releases heat during exothermic reactions, causing the temperature to rise again. If such an operating condition is not intercepted by appropriate regulations, it can lead to a runaway of the membrane reactor.
Um die Sauerstoffpermeation und somit die Reaktion im Membranreaktor zu beeinflussen, existieren eine Reihe von Möglichkeiten. In order to influence the oxygen permeation and thus the reaction in the membrane reactor, there are a number of possibilities.
So kann beispielsweise die Betriebstemperatur des Membranreaktors oder die For example, the operating temperature of the membrane reactor or the
Gaszufuhr auf der Feedseite variiert werden.
Die bekannten Varianten zur Regelung des Reaktorbetriebes weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. So führt beispielsweise eine Abkühlung des Membranreaktors unter Umständen zur Ausbildung thermischer Spannungen, wodurch insbesondere die kritische Verbindung Membran-Reaktormantel stark belastet werden kann. Um diese Belastungen zu verringern ist man daher bemüht, die Zahl an Aufheiz- und Abkühlzyklen eines Membranreaktors möglichst gering zu halten, da eine zu große Zahl an Gas supply can be varied on the feed side. However, the known variants for controlling the reactor operation have significant disadvantages. For example, a cooling of the membrane reactor under certain circumstances leads to the formation of thermal stresses, whereby in particular the critical compound membrane-reactor jacket can be heavily loaded. In order to reduce these loads, it is therefore endeavored to keep the number of heating and cooling cycles of a membrane reactor as low as possible, since too many
Temperaturzyklen zu Lasten der Lebensdauer des Membranreaktors geht. Ebenso ist eine Reduktion der Gaszufuhr auf der Feedseite problematisch. Sobald die Zufuhr des den Sauerstoff enthaltenden Feedgases beendet wird, kommt der Transport des Sauerstoffs durch die keramische Membran zum Erliegen. Da es sich bei der keramischen Membran selbst um eine chemische Verbindung, beispielsweise eine Sauerstoffverbindung handelt, führt dieses unter Umständen zu einer Reduktion der Membran auf der Permeatseite und damit einer Zerstörung des Membranmaterials. Temperature cycles at the expense of the life of the membrane reactor goes. Likewise, a reduction of the gas supply on the feed side is problematic. As soon as the feed of the feed gas containing the oxygen is stopped, the transport of the oxygen through the ceramic membrane comes to a standstill. Since the ceramic membrane itself is a chemical compound, for example an oxygen compound, under certain circumstances this leads to a reduction of the membrane on the permeate side and thus to a destruction of the membrane material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache Möglichkeit zur Object of the present invention is therefore an easy way to
Regelung der Geschwindigkeit der Permeation von Sauerstoff durch nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membranen zur Verfügung zu stellen. Regulation of the rate of permeation of oxygen by non-porous oxygen anions to provide conductive ceramic membranes.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Regelung der Permeations- geschwindigkeit von Sauerstoffanionen durch eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Erdalkaliionen enthaltende nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran eingesetzt wird und dass auf mindestens eine Seite der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran für eine vorbestimmte Zeit Kohlendioxid und/oder ein gasförmiger Kohlendioxid-Vorläufer zugegeben wird, wodurch eine Änderung der Sauerstoffpermeabilität des Membranmaterials ermöglicht wird. Eine bevorzugte Ausführungsforms des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen durch eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Membran auf beiden Seiten von einem Sauerstoff enthaltenden Gas umgeben ist, dass eine Erdalkaliionen enthaltende nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende The present invention therefore relates to a method for controlling the permeation rate of oxygen anions through a non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane. The method is characterized in that a non-porous and oxygen anions-conducting ceramic membrane containing alkaline earth ions is used and that carbon dioxide and / or a gaseous carbon dioxide precursor is added to at least one side of the non-porous and oxygen-anions-conducting ceramic membrane for a predetermined time whereby a change in the oxygen permeability of the membrane material is made possible. A preferred embodiment of the method according to the invention for controlling the permeation rate of oxygen anions through a non-porous and oxygen anions-conducting ceramic membrane is characterized in that the Diaphragm on both sides surrounded by an oxygen-containing gas that contains an alkaline earth ion-containing non-porous and oxygen anions conductive
keramische Membran eingesetzt wird und dass mindestens eine Seite der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran für eine vorbestimmte Zeit und bei Temperaturen zwischen 400 und 900°C mit gasförmigem Kohlendioxid in Kontakt gebracht wird, so dass sich in der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden Membran die Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen verringert. ceramic membrane is used and that at least one side of the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane for a predetermined time and at temperatures between 400 and 900 ° C is contacted with gaseous carbon dioxide, so that in the non-porous and oxygen anions conductive Membrane reduces the permeation rate of oxygen anions.
Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein wird angenommen, dass das Kohlendioxid mit dem Membranmaterial reagiert, so dass sich unter den Reaktionsbedingungen in der keramischen Membran Erdalkalicarbonate ausbilden. Dieser Vorgang ist reversibel und die Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen vergrößert sich wieder, sobald kein Kohlendioxid mehr mit dem Membranmaterial reagieren kann. Unter dem Begriff„Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen" ist im Rahmen dieser Beschreibung die Durchlässigkeit der keramischen Membran für Sauerstoff pro Flächeneinheit und pro Zeiteinheit zu verstehen. Without being bound by theory, it is believed that the carbon dioxide reacts with the membrane material to form alkaline earth carbonates under the reaction conditions in the ceramic membrane. This process is reversible and the permeation rate of oxygen anions increases again as soon as carbon dioxide can no longer react with the membrane material. For the purposes of this description, the term "permeation rate of oxygen anions" is understood to mean the permeability of the ceramic membrane to oxygen per unit area and per unit of time.
Das Inkontaktbringen der keramischen Membran mit gasförmigem Kohlendioxid kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. So kann dem Sauerstoff enthaltenden Gas für ein bestimmtes Zeitintervall eine ausgewählte Menge an gasförmigem Kohlendioxid zugesetzt werden oder das Sauerstoff enthaltende Gas kann für ein bestimmtes The contacting of the ceramic membrane with gaseous carbon dioxide can be done in different ways. Thus, a selected amount of gaseous carbon dioxide can be added to the oxygen-containing gas for a specific time interval, or the gas containing oxygen can be added for a specific time
Zeitintervall durch gasförmiges Kohlendioxid ersetzt werden. Anstelle von gasförmigem Kohlendioxid kann eine Kombination von Sauerstoff enthaltendem Gas mit gasförmigem Vorläufer von Kohlendioxid verwendet werden, beispielsweise von gasförmigem Time interval to be replaced by gaseous carbon dioxide. Instead of gaseous carbon dioxide, a combination of oxygen-containing gas with gaseous precursor of carbon dioxide may be used, for example gaseous
Kohlenmonoxid oder von anderen gasförmigen Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffen. Diese gasförmigen Vorläufer setzen sich unter den Carbon monoxide or other compounds containing gaseous carbon, such as hydrocarbons. These gaseous precursors settle under the
Bedingungen im Membranreaktor mit dem Sauerstoff zu Kohlendioxid um, so dass letztlich Kohlendioxid mit der Membran in Kontakt tritt. Conditions in the membrane reactor with the oxygen to carbon dioxide to, so that ultimately carbon dioxide comes into contact with the membrane.
Das Sauerstoff enthaltende Gas kann für eine vorbestimmte Zeit durch gasförmiges Kohlendioxid und/oder durch ein Gemisch enthaltend Sauerstoff und einen gasförmigen
Vorläufer von Kohlendioxid ersetzt werden, indem die keramische Membran kontinuierlich mit einem Gasstrom gespült wird, welcher Kohlendioxid und/oder ein Sauerstoff-/Kohlendixoidvorläudergemisch enthält. Das Spülen kann auch in The oxygen-containing gas may be for a predetermined time by gaseous carbon dioxide and / or by a mixture containing oxygen and a gaseous Carbon dioxide precursor by continuously purging the ceramic membrane with a gas stream containing carbon dioxide and / or an oxygen / carbon dioxide preblend mixture. The rinse can also be done in
vorbestimmten Zeitabschnitten, also gepulst, erfolgen. predetermined periods, so pulsed done.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Membranen sind nicht-porös, wobei es aufgrund von Limitierungen, etwa im Herstell ungsprozess, auch zu geringfügigen Leckagen durch Poren kommen kann. Entscheidend ist jedoch, dass die Hauptwirkung der Stofftrennung aus einer Wechselwirkung zwischen dem abzutrennenden Sauerstoff und dem nicht porösen keramischen Membranmaterial resultiert. The membranes used according to the invention are non-porous, and due to limitations, for example in the manufacturing process, slight leaks can also occur through pores. However, it is crucial that the main effect of the separation of substances results from an interaction between the oxygen to be separated and the non-porous ceramic membrane material.
Bei den genannten Gemischtleitern zur Sauerstoffabtrennung handelt es sich typischer- weise um keramische Materialien, welche bei Temperaturen von üblicherweise >600°C über die Fähigkeit zur Leitung von Sauerstoffanionen verfügen. The abovementioned mixed conductors for oxygen separation are typically ceramic materials which have the capability of conducting oxygen anions at temperatures of usually> 600 ° C.
Die Betriebstemperaturen für solche keramischen Membranen liegen typischerweise oberhalb von 600 °C, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 900 °C und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 800 bis 900 °C. The operating temperatures for such ceramic membranes are typically above 600 ° C, preferably in the range of 700 to 900 ° C, and most preferably in the range of 800 to 900 ° C.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Betriebstemperatur der keramischen Membran in einem engen Intervall eingestellt, beispielsweise in einem Intervall von ± 80 °C, vorzugsweise ± 50 °C, besonders bevorzugt ± 30 °C, und die Permeationsgeschwindigkeit der keramischen Membran für Sauerstoff wird durch die Variation der Kohlendioxidkonzentration auf wenigstens einer Seite der keramischen Membran geregelt. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the operating temperature of the ceramic membrane is set at a narrow interval, for example at an interval of ± 80 ° C, preferably ± 50 ° C, more preferably ± 30 ° C, and the permeation rate of the ceramic membrane for Oxygen is controlled by the variation of the carbon dioxide concentration on at least one side of the ceramic membrane.
Bevorzugt werden als nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membranen solche Typen eingesetzt, die sowohl Sauerstoffanionen als auch Elektronen leiten.
Zur Moderation der Sauerstoffpermeabilität durch die keramische Membran wird vorzugsweise gasförmiges Kohlendioxid eingesetzt. Ein weiteres bevorzugtes Preference is given to using non-porous oxygen-anions-conducting ceramic membranes of those types which conduct both oxygen anions and also electrons. Gaseous carbon dioxide is preferably used to modulate the oxygen permeability through the ceramic membrane. Another preferred
Moderatorgas ist ein Gemisch von Sauerstoff und gasförmigem Kohlenmonoxid. Die Form der nicht-porösen Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran kann beliebig sein. Dabei kann es sich um dünne und flächige Membranen handeln oder vorzugsweise um keramische Hohlfasern. Moderator gas is a mixture of oxygen and gaseous carbon monoxide. The shape of the non-porous oxygen anion conductive ceramic membrane may be arbitrary. These may be thin and flat membranes or preferably hollow ceramic fibers.
Als nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membranen kann jedes dafür geeignete Material verwendet werden. Any suitable material may be used as non-porous oxygen anion conductive ceramic membranes.
Bevorzugt handelt es sich dabei um eine Oxidkeramik mit Perowskitstruktur oder mit Brownmilleritstruktur oder mit Aurivilliusstruktur. Bevorzugt eingesetzte Oxidkeramiken weisen eine Perowskitstruktur ABO3-Ö auf, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höherwertige Kationen darstellen, der lonen- radius von A größer als der lonenradius vom B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen und wobei A und/oder B als Gemische unterschiedlicher Kationen vorliegen können. This is preferably an oxide ceramic with a perovskite structure or with a brownmillerite structure or with an Aurivillius structure. Preferred oxide ceramics have a perovskite structure ABO3-O, where A is bivalent and B are trivalent or higher cations, the ion radius of A is greater than the ion radius of B and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5 to produce the electroneutrality of the material and wherein A and / or B may be present as mixtures of different cations.
Weitere bevorzugt eingesetzte Oxidkeramiken weisen eine Brownmilleritstruktur Α2Β2θδ-δ auf, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höherwertige Kationen darstellen, der lonenradius von A größer als der lonenradius vom B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen und wobei A und/oder B als Gemische Further preferred oxide ceramics have a brownmillerite structure Α2Β2θ δ -δ, where A represents bivalent cations and B represents trivalent or higher valued cations, the ionic radius of A is greater than the ionic radius of B and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5 to produce the electroneutrality of the material and wherein A and / or B are mixtures
unterschiedlicher Kationen vorliegen können. different cations may be present.
Bei diesen vorstehend genannten bevorzugten Typen werden die Kationen des Typs A insbesondere ausgewählt aus Kationen der zweiten Hauptgruppe, der ersten In these preferred types mentioned above, the type A cations are especially selected from second main group cations, the first
Nebengruppe, der zweiten Nebengruppe, der Lanthaniden oder Mischungen dieser
Kationen, vorzugsweise aus Mg2+, Ca2+, Sr2*, Ba2+, Cu2+, Ag2+, Zn2+, Cd2+ und/oder der Lanthaniden. Subgroup, the second subgroup, the lanthanides or mixtures of these Cations, preferably of Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2 *, Ba 2+ , Cu 2+ , Ag 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ and / or the lanthanides.
Bei diesen vorstehend genannten bevorzugten Typen werden die Kationen des Typs B insbesondere ausgewählt aus Kationen der Gruppen HIB bis VIIIB des Periodensystems und/oder der Lanthaniden Gruppe, der Metalle der fünften Hauptgruppe oder In these preferred types mentioned above, the type B cations are selected in particular from cations of the groups HIB to VIIIB of the Periodic Table and / or the Lanthanide Group, the metals of the fifth main group or
Mischungen dieser Kationen, vorzugsweise aus Fe3+, Fe4*' Ti3+, Ti +, Zr3+, Zr +, Ce3+, Ce +, Mn3+, Mn4+, Co2+, Co3+, Nd3+, Nd4+, Gd3+, Gd4+, Sm3+, Sm4+, Dy3+, Dy4+, Ga3+, Yb3+, Al3+, Bi4+ oder Mischungen dieser Kationen. Mixtures of these cations, preferably from Fe 3+, Fe 4 * 'Ti 3+, Ti +, Zr 3+, Zr +, Ce 3+, Ce +, Mn 3+, Mn 4+, Co 2+, Co 3+ , Nd 3+ , Nd 4+ , Gd 3+ , Gd 4+ , Sm 3+ , Sm 4+ , Dy 3+ , Dy 4+ , Ga 3+ , Yb 3+ , Al 3+ , Bi 4+ or mixtures of these cations.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die nicht-poröse In a particularly preferred embodiment, the non-porous contains
Sauerstoffanionen leitende keramische Membran Barium Oxygen anions conductive ceramic membrane barium
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine nicht-poröse Most preferably, it is a non-porous
Sauerstoffanionen leitende keramische Membran, welche aus BaCoxFeyZrz03-5 besteht, worin x, y und z reelle Zahlen sind, x + y + z = 1 bedeutet und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen Anordnungen zum Einsatz kommen, in denen die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation durch eine nichtporöse Sauerstoffanionen leitende keramische Membran gezielt eingestellt werden muss. Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membran Bestandteil eines Membranreaktors ist und bei dem an mindestens einer Seite der Membran in vorbestimmten Zeitintervallen oder kontinuierlich ein Kohlendioxid und/oder Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Moderatorgas zugegeben wird, welches mit der nicht-porösen Sauerstoffanionen leitenden Oxygen anion conducting ceramic membrane, which consists of BaCo x Fe y Zr z 0 3 5, wherein x, y and z are real numbers, x + y + z is = 1 and δ is a number of 0.01 0.9, preferably between 0.01 and 0.5 to produce the electroneutrality of the material. The inventive method can be used in any arrangements in which the rate of oxygen permeation through a non-porous oxygen anions conductive ceramic membrane must be set specifically. Particularly preferred is a method in which the non-porous oxygen anions conductive ceramic membrane is part of a membrane reactor and in which on at least one side of the membrane at predetermined time intervals or continuously a carbon dioxide and / or oxygen and carbon monoxide containing moderator gas is added, which with the non-porous oxygen anions conducting
keramischen Membran eine reversible chemische Reaktion unter Ausbildung von Erdalkalicarbonaten eingeht, und wobei die Konzentration des Moderatorgases so
eingestellt wird, dass dadurch die Geschwindigkeit des durch die Membran permeirenden Sauerstoffes in gewünschter Weise beeinflusst wird. ceramic membrane undergoes a reversible chemical reaction to form Erdalkalicarbonaten, and wherein the concentration of the moderator gas so is set, that thereby the speed of the oxygen permeating through the membrane is influenced in a desired manner.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Moderatorgas eingesetzt, das sich durch chemische Reaktion im Permeations- raum bildet. Dieses kann zum Schutz des Membranreaktors vor einem unerwünschten thermischen Durchgehen eingesetzt werden. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a moderator gas is used which forms by chemical reaction in the permeation space. This can be used to protect the membrane reactor from unwanted thermal runaway.
Beispielsweise kann im Falle der Synthesegasdarstellung auf Basis einer Membran aus BaCoxFeyZrz03-ö (x+y+z=1 ) im bestimmungsgemäßen Betrieb die Menge an zugegebenen Methan so auf die Sauerstoffpermeation durch die Membran abgestimmt werden, das die partielle Oxidation im Permetationsraum im Normalbetrieb bis zur Bildung von CO abläuft. Im Falle einer Erhöhung der Sauerstoffpermeation, etwa durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur, kommt es zu einer zusätzlichen Bildung von CO2, wodurch die Sauerstoffpermeation durch die Membran behindert wird. For example, in the case of the synthesis gas representation based on a membrane of BaCo x Fe y Zr z 03-ö (x + y + z = 1) in normal operation, the amount of methane added to be matched to the oxygen permeation through the membrane, the partial Oxidation in Permetationsraum in normal operation until the formation of CO expires. In the case of an increase in the oxygen permeation, for example by an increase in the operating temperature, there is an additional formation of CO 2 , whereby the oxygen permeation is hindered by the membrane.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dem Feedstrom der nicht-porösen, keramischen Membran auf der Permeatseite eine entsprechende Menge Moderatorgas, beispielsweise CO2, vor dem Reaktoreintritt kontinuierlich zugegeben wird, so dass es bei einer Erhöhung der CO2-Konzentration im Reaktor über das gewünschte Maß hinaus zu einer Blockierung der Membran kommt. A further variant of the method according to the invention consists in that a corresponding amount of moderator gas, for example CO 2 , is continuously added to the feed stream of the non-porous, ceramic membrane on the permeate side before the reactor inlet, so that it increases with an increase in the CO 2 concentration in the Reactor beyond the desired extent to a blocking of the membrane comes.
Ein weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet die zeitlich gepulste Zugabe des Moderatorgases. Je nach Dauer und zeitlichem Abstand der Moderatorgas- Pulse kann damit im zeitlichen Mittel die Sauerstoffpermeation durch die Membran eingestellt werden. A further variant of the method according to the invention includes the temporally pulsed addition of the moderator gas. Depending on the duration and time interval of the moderator gas pulses, the oxygen permeation through the membrane can thus be adjusted in the time average.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen besonders ausgestaltetenA further embodiment of the invention relates to a particularly designed
Membranreaktor. Dieser umfasst die folgenden Elemente: Membrane reactor. This includes the following elements:
A) mindestens eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische A) at least one non-porous and oxygen anions conductive ceramic
Membran enthaltend Erdalkaliionen, die sich in einem Reaktionsraum befindet und diesen in einen Feedgasraum sowie einen Permeatgasraum aufteilt,
B) mindestens eine Zuleitung für ein Sauerstoff enthaltendes Feedgasgemisch, welche mit dem Feedgasraum verbunden ist, Membrane containing alkaline earth ions, which is located in a reaction space and divides it into a feed gas space and a permeate gas space, B) at least one feed line for an oxygen-containing feed gas mixture which is connected to the feed gas space,
C) mindestens eine Ableitung für ein von Sauerstoff abgereichertes C) at least one derivative for an oxygen depleted
Feedgasgemisch, welche mit dem Feedgasraum verbunden ist, Feed gas mixture which is connected to the feed gas space,
D) mindestens einer Zuleitung für ein Spül- oder Reaktionsgasgemisch, welche mit dem Permeatgasraum verbunden ist, D) at least one feed line for a purge or reaction gas mixture which is connected to the permeate gas space,
E) mindestens einer Ableitung für ein mit Sauerstoff angereichertes Spül- oder Reaktionsgasgemisch, welche mit dem Permeatgasraum verbunden ist, E) at least one discharge for an oxygen-enriched rinsing or reaction gas mixture which is connected to the permeate gas space,
F) mindestens einer Zuleitung für gasförmiges Kohlendioxid und/oder für einen gasförmigen Vorläufer von Kohlendioxid, welche mit dem Feedgasraum und/oder dem Permeatgasraum und/oder mit der Zuleitung zum Feedgasraum und/oder der Zuleitung zum Permeatgasraum verbunden ist, F) at least one feed line for gaseous carbon dioxide and / or for a gaseous precursor of carbon dioxide, which is connected to the feed gas space and / or the permeate gas space and / or to the feed line to the feed gas space and / or the feed line to the permeate gas space,
G) mindestens eine Steuervorrichtung für das Einstellen des Gehalts an G) at least one control device for adjusting the content
gasförmigem Kohlendioxid im Gasraum, der an mindestens eine Oberfläche der keramischen Membran angrenzt, und gaseous carbon dioxide in the gas space adjacent to at least one surface of the ceramic membrane, and
H) der Membranreaktor zusätzlich einen Sensor aufweist, mit dem die H) the membrane reactor additionally comprises a sensor with which the
Permeationsgeschwindigkeit des Sauerstoffes durch die nicht-poröse Sauerstoffanionen leitende keramische Membran ermittelt werden kann. Ein Beispiel für eine Steuervorrichtung G) ist ein Mass-Flow-Controller. Permeation rate of the oxygen through the non-porous oxygen anions conductive ceramic membrane can be determined. An example of a control device G) is a mass flow controller.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Membranreaktor zusätzlich I) einen Regler auf, welcher die Einstellung des durch Steuervorrichtung G) in den Gasraum eingeführten Gehalts an gasförmigem Kohlendioxid in Abhängigkeit von der durch Sensor H) ermittelten Permeationsgeschwindigkeit des Sauerstoffes durch die Membran gestattet. Solche Regler sind kommerziell erhältlich. In a particularly preferred embodiment, the membrane reactor additionally has I) a regulator which permits the adjustment of the content of gaseous carbon dioxide introduced into the gas space by control device G as a function of the permeation rate of oxygen detected by sensor H). Such regulators are commercially available.
Die Einstellung des durch die Steuervorrichtung G) in den Gasraum eingeführten Gehalts an Kohlendioxid kann nach an sich bekannten Methoden erfolgen. Dazu wird die Konzentration an Kohlendioxid oder an Kohlendioxid-Vorläufer ermittelt. Neben den klassischen Methoden der Fällungsreaktionen lassen sich auch über gaschromato- graphische Messungen die C02- oder C02-Vorläufergehalte in Gasen messen. Dieses
empfiehlt sich für Steuerungen und langsame Regelungen. Für schnell ansprechende Regelungen empfiehlt sich eine Online - IR-Messung zur Bestimmung des Gehalts an C02 oder an CO2-Vorläufer, wie CO. Alternativ dazu lässt sich der Gehalt an CO2 oder an CO2-Vorläufer mittels Durchflussmessung bestimmen. Der Durchfluss kann beispielsweise über Messprinzipien wie thermische Massedurchflussmessung, d.h. durch Einsatz eines Mass-Flow-Controllers, durch Coriolis-Massemessung oder durch Schwebekörperdurchflussmesser erfasst werden. The adjustment of the introduced by the control device G) in the gas space content of carbon dioxide can be done by methods known per se. For this purpose, the concentration of carbon dioxide or carbon dioxide precursor is determined. In addition to the classical methods of precipitation reactions, the C0 2 or C0 2 precursor contents in gases can also be measured by gas chromatographic measurements. This recommended for controls and slow controls. For fast-response controls, an online IR measurement is recommended for determining the content of C0 2 or of CO 2 precursors, such as CO. Alternatively, the content of CO2 or CO 2 precursor can be determined by flow measurement. The flow can be detected, for example, by measuring principles such as thermal mass flow measurement, ie by using a mass flow controller, by Coriolis mass measurement or by a variable area flowmeter.
Die Regelung des CO2-Gehalts im Gasraum, d.h. die Einstellung der geforderten Konzentration, erfolgt üblicherweise über einen durch Software gesteuerten Regler. Dabei wird beispielsweise über ein durch Software gesteuertes Regelventil der entsprechende Durchfluss einstellt. Im Falle des Einsatzes eines Mass-Flow-Controllers ist das Regelventil mit der Durchfluss-Messeinrichtung in einer Einheit integriert. The regulation of the CO 2 content in the gas space, ie the adjustment of the required concentration, usually takes place via a controller controlled by software. In this case, for example, set via a controlled by software control valve, the corresponding flow. In the case of the use of a mass flow controller, the control valve with the flow measuring device is integrated in one unit.
Bei den beschriebenen Vorrichtungen handelt es sich um kommerziell erhältliche Produkte. Bei Sensor H) kann es sich um einen Temperatursensor handeln, mit dem die The devices described are commercially available products. Sensor H) can be a temperature sensor with which the
Temperatur im Permeatraum gemessen werden kann. Steigt beispielsweise bei einer exothermen Oxidationsreaktion und bei gleicher Konzentration an oxidierbarem Temperature in the permeate space can be measured. Increases, for example, in an exothermic oxidation reaction and at the same concentration of oxidizable
Reaktant die Temperatur im Permeationsraum an, so ist das ein Hinweis auf eine gesteigerte Sauerstoffpermeation durch die Membran. Alternativ kann auch die Reactant to the temperature in the permeation, this is an indication of increased oxygen permeation through the membrane. Alternatively, the
Konzentration des Sauerstoffs im abgereicherten Feedstrom aus dem Feedraum und/oder die Konzentration des Oxidationsproduktes aus dem Permeatraum ermittelt werden. Diese Messwerte können einzeln oder in Kombination als Regelgrößen eingesetzt werden, um die Belegung der Membranoberfläche mit Moderatorgas zu kontrollieren. Die Ermittlung der Konzentration des Sauerstoffs im Gasraum bzw. der Konzentration des Oxidationsproduktes im Gasraum kann nach den gleichen Messprinzipien erfolgen, die oben für die Ermittlung des Gehaltes von CO2 oder von CO2- Vorläufer im Gasraum beschrieben worden sind.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des oben beschriebenen Membranreaktors zur Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen, vorzugsweise aus Luft, oder zur Durchführung von Oxidationsreaktionen in der Gasphase. Concentration of the oxygen in the depleted feed stream from the feed space and / or the concentration of the oxidation product can be determined from the permeate space. These measured values can be used individually or in combination as controlled variables to control the coverage of the membrane surface with moderator gas. The determination of the concentration of the oxygen in the gas space or the concentration of the oxidation product in the gas space can be carried out according to the same measurement principles described above for the determination of the content of CO2 or of CO 2 precursors in the gas space. The invention also relates to the use of the membrane reactor described above for the separation of oxygen from gas mixtures, preferably from air, or for carrying out oxidation reactions in the gas phase.
Bevorzugt wird der abgetrennte Sauerstoff für die anschließende Durchführung einer Oxidationsreaktion in der Gasphase eingesetzt. Preferably, the separated oxygen is used for the subsequent implementation of an oxidation reaction in the gas phase.
Bei den bevorzugten Oxidationsreaktionen handelt es sich beispielsweise um die eine partielle Oxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches zur Darstellung von Synthesegas oder um die oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen oder um die oxidative Kupplung von Methan. The preferred oxidation reactions are, for example, the partial oxidation of a hydrocarbon-containing gas mixture to produce synthesis gas or the oxidative dehydrogenation of hydrocarbons or the oxidative coupling of methane.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung des oben beschriebenen Membranreaktors zur Gewinnung von Sauerstoff für In a further preferred embodiment, the invention relates to the use of the membrane reactor described above for the production of oxygen for
Kraftwerksanwendungen. Power plant applications.
Das nachfolgende Beispiel und die Figuren erläutern die Erfindung ohne diese dadurch zu begrenzen. Es zeigen: The following example and figures illustrate the invention without limiting it. Show it:
Figur 1 : Die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation durch eine Membran in FIG. 1: The rate of oxygen permeation through a membrane in FIG
Abhängigkeit vom Gehalt an C02-Moderatorgas im Permeatraum Dependence on the content of C0 2 -moderator gas in the permeate space
Figur 2: Bereich der BaC03 Bildung in Gegenwart von freiem C02 in Abhängigkeit von der Temperatur FIG. 2: Area of BaC0 3 formation in the presence of free CO 2 as a function of the temperature
Beispiel example
Die erfindungsgemäße Beeinflussung der Sauerstoffpermeation durch eine keramische Membran kann im Falle einer Membran auf Basis einer Ba-haltigen Verbindung, wie etwa BaCoxFeyZrz03-ö (x+y+z=1 ) (J. Tong, W. Yang, Z. Shao, G. Xiong, L. Lin, Chinese Science Bulletin 2001 , 46, 473-477) oder Bao.sSro.sCoo.eFeo^Oa-ö (M. Arnold, H. Wang,
A. Feldhoff, Journal of Membrane Science 2007, 293, 44-52) durch die Zugabe von C02 als Moderatorgas auf der Permeatseite der Membran erfolgen. Wie nachstehend gezeigt wird, führt diese Zugabe zu einer reversiblen Reduktion der Sauerstoffpermeabilität. Eine keramische Hohlfaser-Membran mit dem Durchmesser von 1 ,24 mm (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K.J. Caspary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4 ) wurde bei einer Temperatur von 850°C auf der Innenseite mit 150 ml/min Luft durchspült. An der Außenseite wurden als inertes Spülgas abwechselnd 30 ml/min Argon oder CO2 eingeleitet. In the case of a membrane based on a Ba-containing compound such as BaCo x Fe y Zr z O-O (x + y + z = 1), the influence of oxygen permeation on a ceramic membrane according to the present invention (J. Tong, W. Yang Z. Shao, G. Xiong, L. Lin, Chinese Science Bulletin 2001, 46, 473-477) or Bao.sSro.sCoo.eFeo ^ Oa-ö (M. Arnold, H. Wang, A. Feldhoff, Journal of Membrane Science 2007, 293, 44-52) by adding C0 2 as a moderator gas on the permeate side of the membrane. As will be shown below, this addition results in a reversible reduction in oxygen permeability. A ceramic hollow fiber membrane with a diameter of 1.24 mm (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, KJ Caspary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4) flushed at a temperature of 850 ° C on the inside with 150 ml / min of air. On the outside, 30 ml / min of argon or CO2 were introduced alternately as an inert purge gas.
In Figur 1 zeigt die erhaltene Sauerstoffpermeation in Abhängigkeit von der C02- Zugabe. Bei Zugabe von CO2 als Moderatorgas wurde die Sauerstoffpermeation innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne bis auf Null reduziert. Sobald die Zugabe von C02 auf der Permeatseite beendet wurde, stieg die Sauerstoffpermeation in einer ebenso kurzen Zeitspanne wieder an. FIG. 1 shows the oxygen permeation obtained as a function of the C0 2 addition. When CO2 was added as the moderator gas, the oxygen permeation was reduced to zero within a very short period of time. As soon as the addition of CO 2 on the permeate side was stopped, oxygen permeation increased again in as short a time.
Der beschriebene Effekt ist dabei auf die reversible Bildung von BaC03 bei Anwesenheit von CO2 zurückzuführen, welches die Membranoberfläche blockiert und auch bei hohen Temperaturen die Sauerstoffpermeation unterbindet. Sobald die C02-Konzentration unter die Gleichgewichtskonzentration des BaC03 bei der entsprechenden The described effect is due to the reversible formation of BaC0 3 in the presence of CO2, which blocks the membrane surface and prevents oxygen permeation even at high temperatures. Once the CO 2 concentration below the equilibrium concentration of BaC0 3 at the corresponding
Betriebstemperatur fällt, zersetzt sich das BaC03 und die Sauerstoffpermeation wird wiederhergestellt. Operating temperature drops, the BaC0 3 decomposes and oxygen permeation is restored.
Figur 2 zeigt den Bereich der Bildung von BaC03 bei Anwesenheit von freiem C02 in Abhängigkeit von der Temperatur. Figure 2 shows the region of formation of BaC0 3 in the presence of free CO 2 as a function of the temperature.
Die Menge an gebildetem BaC03 - und damit das Ausmaß der Reduktion der The amount of BaC0 3 formed - and thus the extent of the reduction of
Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation - hängt dabei u. a. vom mittleren Partialdruck des CO2 in der Gasphase ab. Somit kann bei geeigneter Wahl des C02-Partialdruckes gezielt eine nur teil- oder zeitweise Blockierung der Membranoberfläche und somit eine teil- oder zeitweise Unterbindung der Sauerstoffpermeation erfolgen. Auf diesem Wege
kann die effektive Sauerstoffpermeation (respektive Sauerstoffzufuhr) und damit das Ausmaß der Reaktion auf der Permeatseite in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Speed of oxygen permeation - depends, among other things, on the mean partial pressure of CO2 in the gas phase. Thus, with a suitable choice of the CO 2 partial pressure, only a partial or temporary blocking of the membrane surface and thus a partial or temporary suppression of the oxygen permeation can take place. On this way For example, the effective oxygen permeation (or oxygen supply) and thus the extent of the reaction on the permeate side can be adjusted within a wide range.
Claims
Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Regelung der Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen durch eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erdalkaliionen enthaltende nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran eingesetzt wird und dass auf mindestens einer Seite der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran für eine vorbestimmte Zeit Kohlendioxid und/oder ein gasförmiger Kohlendioxid-Vorläufer zugegeben wird, wodurch eine Änderung der Sauerstoffpermeabilität des Membranmaterials ermöglicht wird. 1. A method for controlling the permeation rate of oxygen anions through a non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane, characterized in that a alkaline earth metal-containing non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane is used and that conductive on at least one side of the non-porous and oxygen anions carbon dioxide and / or a gaseous carbon dioxide precursor is added to the ceramic membrane for a predetermined time, thereby permitting a change in the oxygen permeability of the membrane material.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran auf beiden Seiten von einem Sauerstoff enthaltenden Gas umgeben ist, dass mindestens eine Seite der nicht- porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran für eine 2. The method according to claim 1, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane is surrounded on both sides by an oxygen-containing gas that at least one side of the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane for a
vorbestimmte Zeit bei Temperaturen zwischen 400 und 900 °C mit gasförmigem Kohlendioxid in Kontakt gebracht wird, so dass sich in der nicht-porösen und predetermined time at temperatures between 400 and 900 ° C is contacted with gaseous carbon dioxide, so that in the non-porous and
Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran die Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoffanionen verringert. Oxygen anions conductive ceramic membrane reduces the permeation rate of oxygen anions.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sauerstoff enthaltenden Gas auf mindestens einer Seite der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran gasförmiges Kohlendioxid und/oder eine andere gasförmige, Kohlenstoff enthaltende Verbindung zugesetzt wird oder dass das Sauerstoff enthaltende Gas auf mindestens einer Seite der nichtporösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran durch gasförmiges Kohlendioxid und/oder durch eine andere gasförmige, Kohlenstoff enthaltende Verbindung ersetzt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff enthaltende Gas auf beiden Seiten der nicht-porösen und 3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the gas containing oxygen on at least one side of the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane gaseous carbon dioxide and / or another gaseous, carbon-containing compound is added or that the oxygen containing gas is replaced on at least one side of the non-porous and oxygen anions-conducting ceramic membrane by gaseous carbon dioxide and / or by another gaseous, carbon-containing compound. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the oxygen-containing gas on both sides of the non-porous and
Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran unterschiedliche
Sauerstoffkonzentrationen aufweist und dass dem Gas mit der geringeren Oxygen anion conductive ceramic membrane different Has oxygen concentrations and that the gas with the lower
Sauerstoffkonzentration gasförmiges Kohlendioxid und/oder gasförmiges Oxygen concentration gaseous carbon dioxide and / or gaseous
Kohlenmonoxid zugesetzt wird oder dass das Gas mit der geringeren Carbon monoxide is added or that the gas with the lower
Sauerstoffkonzentration für eine vorbestimmte Zeit durch gasförmiges Kohlendioxid und/oder durch gasförmiges Kohlenmonoxid ersetzt wird. Oxygen concentration is replaced for a predetermined time by gaseous carbon dioxide and / or by gaseous carbon monoxide.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der keramischen Membran in einem Intervall von ± 80 °C eingestellt wird und dass die Permeationsgeschwindigkeit der keramischen Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the operating temperature of the ceramic membrane at an interval of ± 80 ° C is set and that the permeation rate of the ceramic
Membran für Sauerstoff durch die Variation der Kohlendioxidkonzentration auf wenigstens einer Seite der keramischen Membran geregelt wird. Membrane for oxygen is regulated by the variation of the carbon dioxide concentration on at least one side of the ceramic membrane.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran eine Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane a
Sauerstoffanionen leitende und Elektronen leitende keramische Membran ist. Oxygen anions conductive and electron conductive ceramic membrane.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran in Form einer keramischen Hohlfaser eingesetzt wird. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane is used in the form of a ceramic hollow fiber.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran aus einer Oxidkeramik mit Perowskitstruktur oder mit Brownmilleritstruktur oder mit Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane of an oxide ceramic with perovskite structure or Brownmilleritstruktur or with
Aurivilliusstruktur aufgebaut ist. Aurivilliusstruktur is constructed.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramik eine Perowskitstruktur ABO3-5 aufweist, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höherwertige Kationen darstellen, der lonenradius von A größer als der lonenradius vom B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen, wobei A und/oder B als Gemische unterschiedlicher Kationen vorliegen können und wobei mindestens ein Teil der Kationen A Erdalkalikationen sind, oder dass die Oxidkeramik eine
Brownmilleritstruktur Α2Β2θ5-δ aufweist, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höherwertige Kationen darstellen, der lonenradius von A größer als der lonenradius vom B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen, wobei A und/oder B als Gemische unterschiedlicher Kationen vorliegen können und wobei mindestens ein Teil der Kationen A Erdalkalikationen sind, wobei in diesen Oxidkeramiken die Kationen des Typs A vorzugsweise ausgewählt werden aus Kationen der zweiten Hauptgruppe, der ersten Nebengruppe, der zweiten A method according to claim 8, characterized in that the oxide ceramic has a perovskite structure ABO3-5, wherein A are divalent cations and B are trivalent or higher valent cations, the ionic radius of A is greater than the ionic radius of B and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5, to produce the electroneutrality of the material, wherein A and / or B may be present as mixtures of different cations, and wherein at least a portion of the cations A are alkaline earth cations, or the oxide ceramics a Brownmillerite structure Α 2 Β2θ 5- δ, where A is a divalent cation and B is a tri- or higher-valent cation, the ionic radius of A is greater than the ionic radius of B and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0, 01 and 0.5 to produce the electroneutrality of the material, wherein A and / or B may be mixtures of different cations, and wherein at least a portion of the cations A are alkaline earth cations, in which oxide ceramics the cations of type A are preferably selected Cations of the second main group, the first subgroup, the second
Nebengruppe, der Lanthaniden oder Mischungen dieser Kationen, besonders bevorzugt aus Mg2+, Ca2+, Sr2*, Ba2+, Cu2+, Ag2+, Zn2+, Cd2+ und/oder der Subgroup, the lanthanides or mixtures of these cations, more preferably from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2 * , Ba 2+ , Cu 2+ , Ag 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ and / or the
Lanthaniden, und wobei mindestens ein Teil der Kationen A Mg2+, Ca2+, Sr2* und/oder Ba2+ bedeuten, und/oder wobei in diesen Oxidkeramiken die Kationen des Typs B vorzugsweise ausgewählt werden aus Kationen der Gruppen HIB bis VI IIB des Periodensystems und/oder der Lanthaniden Gruppe, der Metalle der fünften Hauptgruppe oder Mischungen dieser Kationen, besonders bevorzugt aus Fe3+,Lanthanides, and wherein at least a portion of the cations A are Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2 * and / or Ba 2+ , and / or wherein in these oxide ceramics, the cations of type B are preferably selected from cations of groups HIB to VI IIB of the Periodic Table and / or the Lanthanide Group, the metals of the fifth main group or mixtures of these cations, particularly preferably of Fe 3+ ,
Fe4+' Ti3+, Ti +, Zr3+, Zr4+, Ce3\ Ce4+, Mn3+, Mn4+, Co2+, Co3+, Nd3+, Nd4+, Gd3+, Gd4+, Sm3+, Sm4+, Dy3+, Dy4+, Ga3+, Yb3+, Al3+, Bi4+ oder Mischungen dieser Kationen. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran aus BaCoxFeyZrzO3-ö besteht, worin x, y und z reelle Zahlen sind, x + y + z = 1 bedeuten und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen. Fe 4+ 'Ti 3+ , Ti + , Zr 3+ , Zr 4+ , Ce 3 + Ce 4+ , Mn 3+ , Mn 4+ , Co 2+ , Co 3+ , Nd 3+ , Nd 4+ , Gd 3+ , Gd 4+ , Sm 3+ , Sm 4+ , Dy 3+ , Dy 4+ , Ga 3+ , Yb 3+ , Al 3+ , Bi 4+ or mixtures of these cations. 10. The method according to claim 8, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane of BaCo x Fe y Zr z O3-ö, wherein x, y and z are real numbers, x + y + z = 1 mean and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5, to produce the electroneutrality of the material.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran Bestandteil eines Membranreaktors ist und dass an mindestens einer Seite der Membran in vorbestimmten Zeitintervallen oder kontinuierlich gasförmiges Kohlendioxid und/oder gasförmiges Kohlenmonoxid zugegeben wird und wobei die Konzentration des11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane is part of a membrane reactor and that on at least one side of the membrane at predetermined time intervals or continuously gaseous carbon dioxide and / or gaseous carbon monoxide is added and the concentration of the
Kohlendioxids und/oder des Kohlenmonoxids so eingestellt wird, dass dadurch die Geschwindigkeit des durch die Membran permeirenden Sauerstoffs beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Feedstrom der nicht-porösen und Sauerstoffanionen leitenden keramischen Membran auf der Feedseite und/oder auf der Permeatseite in vorbestimmten Zeitabschnitten vorbestimmte Mengen von gasförmigem Kohlendioxid und/oder von gasförmigem Kohlenmonoxid zugesetzt werden. Carbon dioxide and / or carbon monoxide is adjusted so that thereby the speed of the oxygen permeating through the membrane is influenced. A method according to claim 11, characterized in that predetermined amounts of gaseous carbon dioxide and / or of gaseous carbon monoxide are added to the feed stream of the non-porous and oxygen anions-conducting ceramic membrane on the feed side and / or on the permeate side at predetermined time intervals.
Membranreaktor mit folgenden Elementen: Membrane reactor with the following elements:
A) mindestens eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran enthaltend Erdalkaliionen, die sich in einem Reaktionsraum befindet und diesen in einen Feedgasraum sowie einen Permeatgasraum aufteilt, A) at least one non-porous and oxygen anions-conducting ceramic membrane containing alkaline earth metal ions, which is located in a reaction space and divides this into a feed gas space and a permeate gas space,
B) mindestens eine Zuleitung für ein Sauerstoff enthaltendes B) at least one supply line for an oxygen-containing
Feedgasgemisch, welche mit dem Feedgasraum verbunden ist, Feed gas mixture which is connected to the feed gas space,
C) mindestens eine Ableitung für ein von Sauerstoff abgereichertes C) at least one derivative for an oxygen depleted
Feedgasgemisch, welche mit dem Feedgasraum verbunden ist, Feed gas mixture which is connected to the feed gas space,
D) mindestens einer Zuleitung für ein Spül- oder Reaktionsgasgemisch, welche mit dem Permeatgasraum verbunden ist, D) at least one feed line for a purge or reaction gas mixture which is connected to the permeate gas space,
E) mindestens einer Ableitung für ein mit Sauerstoff angereichertes Spüloder Reaktionsgasgemisch, welche mit dem Permeatgasraum verbunden ist, E) at least one discharge for an oxygen-enriched scavenger or reaction gas mixture which is connected to the permeate gas space,
F) mindestens einer Zuleitung für gasförmiges Kohlendioxid und/oder für einen gasförmigen Vorläufer von Kohlendioxid, welche mit dem Feedgasraum und/oder dem Permeatgasraum und/oder mit der Zuleitung zum Feedgasraum und/oder der Zuleitung zum Permeatgasraum verbunden ist, F) at least one feed line for gaseous carbon dioxide and / or for a gaseous precursor of carbon dioxide, which is connected to the feed gas space and / or the permeate gas space and / or to the feed line to the feed gas space and / or the feed line to the permeate gas space,
G) mindestens eine Steuervorrichtung für das Einstellen des Gehalts an gasförmigem Kohlendioxid im Gasraum, der an mindestens eine Oberfläche der keramischen Membran angrenzt, und G) at least one control device for adjusting the content of gaseous carbon dioxide in the gas space, which adjoins at least one surface of the ceramic membrane, and
H) der Membranreaktor zusätzlich einen Sensor aufweist, mit dem die H) the membrane reactor additionally comprises a sensor with which the
Permeationsgeschwindigkeit des Sauerstoffes durch die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran ermittelt werden kann.
Permeation rate of the oxygen through the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane can be determined.
14. Membranreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran eine Sauerstoffanionen leitende und Elektronen leitende Membran ist. 14. Membrane reactor according to claim 13, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane is an oxygen anion-conducting and electron-conducting membrane.
15. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, der Membranreaktor zusätzlich I) eine Regeleinrichtung aufweist, welche die Einstellung des durch Steuervorrichtung G) in den Gasraum eingeführten gasförmigen Kohlendioxids in Abhängigkeit von der durch Sensor H) ermittelten Permeations- geschwindigkeit des Sauerstoffes durch die Membran gestattet. 15. Membrane reactor according to one of claims 13 to 14, characterized in that the membrane reactor additionally I) has a control device which controls the setting of the introduced by control device G) in the gas space gaseous carbon dioxide function of the determined by sensor H) Permeations- Oxygen permeated through the membrane.
16. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung F) an der vom Membranreaktor abgewandten Seite mit einer C02-Quelle verbunden ist. 16. Membrane reactor according to one of claims 13 to 15, characterized in that the feed line F) is connected to the side facing away from the membrane reactor side with a C0 2 source.
17. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran die Form einer keramischen Hohlfaser aufweist. 18. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran aus einer Oxidkeramik mit Perowskitstruktur oder mit Brownmilleritstruktur oder mit Aurivilliusstruktur besteht, vorzugsweise dass die Oxidkeramik eine Perowskitstruktur ABO3-Ö aufweist, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höher- wertige Kationen darstellen, der lonenradius von A größer als der lonenradius vom17. Membrane reactor according to one of claims 13 to 16, characterized in that the at least one non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane has the shape of a ceramic hollow fiber. 18 membrane reactor according to one of claims 13 to 17, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane consists of an oxide ceramic with perovskite or Brownmilleritstruktur or Aurivilliusstruktur, preferably that the oxide ceramic has a perovskite ABO3- Ö , wherein A divalent cations and B are trivalent or higher valent cations, the ionic radius of A is greater than the ionic radius of
B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen und wobei A und/oder B als Gemische unterschiedlicher Kationen vorliegen können, oder vorzugsweise dass die Oxidkeramik eine Brownmilleritstruktur A2B2OS-Ö aufweist, wobei A zweiwertige Kationen und B drei- oder höherwertige Kationen darstellen, der lonenradius von A größer als der lonenradius vom B ist und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials
herzustellen und wobei A und/oder B als Gemische unterschiedlicher Kationen vorliegen können. B is and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5, to produce the electroneutrality of the material and where A and / or B may be present as mixtures of different cations, or preferably that Oxide ceramic has a brownmillerite structure A2B 2 OS- Ö , where A is bivalent cations and B are trivalent or higher cations, the ionic radius of A is greater than the ionic radius of B and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0 , 01 and 0.5 is the electroneutrality of the material and wherein A and / or B may be present as mixtures of different cations.
19. Membranreaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationen des Typs A ausgewählt werden aus Kationen der zweiten Hauptgruppe, der ersten Nebengruppe, der zweiten Nebengruppe, der Lanthaniden oder Mischungen dieser Kationen, vorzugsweise aus Mg2+, Ca2+, Sr2*, Ba2+, Cu2+, Ag2+, Zn2+, Cd2+ und/oder der Lanthaniden und/oder dass dass die Kationen des Typs B ausgewählt werden aus Kationen der Gruppen HIB bis VIIIB des Periodensystems und/oder der 19. Membrane reactor according to claim 18, characterized in that the cations of type A are selected from cations of the second main group, the first subgroup, the second subgroup, the lanthanides or mixtures of these cations, preferably from Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2 *, Ba 2+ , Cu 2+ , Ag 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ and / or the lanthanides and / or that the cations of type B are selected from cations of groups HIB to VIIIB of the Periodic Table and / or the
Lanthaniden Gruppe, der Metalle der fünften Hauptgruppe oder Mischungen dieser Lanthanide group, the metals of the fifth main group or mixtures of these
Kationen, vorzugsweise aus Fe3+, Fe4+' Ti3+, Ti4+, Zr3+, Zr4+, Ce3+, Ce +, Mn3+, Mn4+, Co2+, Co3+, Nd3+, Nd4+, Gd3+, Gd4+, Sm3+, Sm +, Dy3+, Dy4+, Ga3+, Yb3+, Al3+, Bi4+ oder Mischungen dieser Kationen. 20. Membranreaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-poröse und Sauerstoffanionen leitende keramische Membran aus BaCoxFeyZrz03.5 besteht, worin x, y und z reelle Zahlen sind, x + y + z = 1 bedeuten und δ eine Zahl zwischen 0,01 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 ist, um die Elektroneutralität des Materials herzustellen. Cations, preferably of Fe 3+ , Fe 4+ 'Ti 3+ , Ti 4+ , Zr 3+ , Zr 4+ , Ce 3+ , Ce + , Mn 3+ , Mn 4+ , Co 2+ , Co 3+ , Nd 3+ , Nd 4+ , Gd 3+ , Gd 4+ , Sm 3+ , Sm + , Dy 3+ , Dy 4+ , Ga 3+ , Yb 3+ , Al 3+ , Bi 4+ or mixtures of these cations. 20. Membrane reactor according to claim 18, characterized in that the non-porous and oxygen anions conductive ceramic membrane of BaCo x Fe y Zr z 0 3rd 5 , where x, y and z are real numbers, x + y + z = 1 and δ is a number between 0.01 and 0.9, preferably between 0.01 and 0.5, to the electroneutrality of the material manufacture.
21. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 13 bis 20 zur Abtrennung von Sauerstoff aus Gasgemischen, insbesondere aus Luft oder zur Durchführung von Oxidationsreaktionen in der Gasphase. 22. Verwendung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Sauerstoff für die anschließende Durchführung einer Oxidationsreaktion in der Gasphase eingesetzt wird, vorzugsweise in einer Oxidationsreaktion, die eine partielle Oxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches zur Darstellung von Synthesegas ist, oder die eine oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen ist, oder die eine oxidative Kupplung von Methan ist.
21. Use of a reactor according to any one of claims 13 to 20 for the separation of oxygen from gas mixtures, in particular from air or for carrying out oxidation reactions in the gas phase. 22. Use according to claim 21, characterized in that the separated oxygen is used for the subsequent implementation of an oxidation reaction in the gas phase, preferably in an oxidation reaction, which is a partial oxidation of a hydrocarbon-containing gas mixture for the synthesis gas, or an oxidative dehydrogenation of Hydrocarbons, or is an oxidative coupling of methane.
23. Verwendung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Sauerstoff für Kraftwerksanwendungen eingesetzt wird.
23. Use according to claim 21, characterized in that the separated oxygen is used for power plant applications.
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