KR19980081783A - Hydrogen Production Using Solid Electrolyte Membrane - Google Patents

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KR19980081783A
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조안엠.젤사
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Abstract

본 발명은 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송막을 갖는 반응기로 통과시켜서 수송된 산소를 분리함으로써, 합성 가스 및 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다. 유기 연료를 산소와 반응시켜 합성 가스를 형성시킨다. 생성된 합성 가스를 동일하거나 상이한 분리기에서 수송된 수소를 분리하기 위한 하나 이상의 고체 전해질 수소 수송막을 통과시켜 수소를 분리한다.The present invention relates to a process for producing syngas and hydrogen by passing a compressed and heated oxygen containing gas mixture through a reactor having at least one solid electrolyte oxygen ion transport membrane to separate the transported oxygen. The organic fuel is reacted with oxygen to form synthesis gas. Hydrogen is separated by passing the resulting synthesis gas through one or more solid electrolyte hydrogen transport membranes for separating hydrogen transported in the same or different separators.

Description

고체 전해질 막을 이용하여 수소를 생성시키는 방법Hydrogen Production Using Solid Electrolyte Membrane

본 발명은 고체 전해질 막을 이용하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 초기에는 고체 전해질 이온 수송막을 이용하여 합성 가스를 생성하고, 또 다른 고체 전해질 막을 이용하여 수소 가스를 분리하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hydrogen using a solid electrolyte membrane, and more particularly, a method for initially producing a synthesis gas using a solid electrolyte ion transport membrane, and separating hydrogen gas using another solid electrolyte membrane. It is about.

고체 전해질 이온 막 또는 혼합된 전도체 이온 수송막은 약 500 내지 약 1200℃의 온도내에서 가스로부터 산소를 추출하는 데 이용되어 왔다. 가스 수송을 위한 최적 작동 온도는 막 자체에 의존하며, 특히 막의 구성 물질에 의존한다. 이온 전도성은 또한 작동 온도의 함수이며, 작업 온도가 상승함에 따라 증가한다. 약 500℃ 미만의 작업 온도에서는, 이온 수송막의 낮은 이온 전도성에 추가하여, 막상의 표면 반응 작용(kinetic) 한계가 또한 단위 시간당 단위 영역의 산소의 양인 산소 유출을 억제할 수 있다.Solid electrolyte ion membranes or mixed conductor ion transport membranes have been used to extract oxygen from gases within temperatures of about 500 to about 1200 ° C. The optimum operating temperature for gas transport depends on the membrane itself, in particular on the material of the membrane. Ionic conductivity is also a function of operating temperature and increases as the working temperature rises. At operating temperatures below about 500 ° C., in addition to the low ion conductivity of the ion transport membrane, the surface kinetic limit on the membrane can also inhibit oxygen outflow, which is the amount of oxygen in the unit region per unit time.

약 1200℃보다 높은 이온 수송막에 대한 작동 온도도 또한 바람직하지 않는데, 그 이유는 재료 및 구성 제한(예를 들어, 밀봉, 메니폴딩 및 열 스트레스)이 더 높은 온도에서 악화되기 때문이다.Operating temperatures for ion transport membranes higher than about 1200 ° C. are also undesirable because the material and construction limitations (eg, sealing, manifolding and thermal stress) deteriorate at higher temperatures.

산소 이온 수송막 시스템의 가장 흥미 있는 특징중의 하나는 산소 수송에 대한 막의 무한한 선택성 및 이러한 산소 수송이 막의 양측의 산소 활성 비율에 의해 유도된다는 점이다. 따라서, 높은 산소 유출은 양극 측에서 발생하는 반응을 가능하게 한다. 또한, 저압 산소 함유 스트림으로부터 고압 반응 환경까지의 산소 수송을 가능하게 한다.One of the most interesting features of the oxygen ion transport membrane system is the infinite selectivity of the membrane for oxygen transport and that oxygen transport is driven by the rate of oxygen activity on both sides of the membrane. Thus, high oxygen bleeding allows for reactions occurring on the anode side. It also enables oxygen transport from the low pressure oxygen containing stream to the high pressure reaction environment.

상승된 온도에서, 산소 이온 수송 물질은 물질을 통해 산소 이온의 선택적인 수송을 위한 유도 부위를 제공하는 이동성 산소 이온 베이컨시를 함유한다. 수송은 산소의 더 높은 분압을 갖는 쪽에서 산소의 더 낮은 압력을 갖는 쪽으로의 산소 이온 흐름과 같이, 막을 사이에 둔 분압의 차이에 의해 유도된다. 산소 이온에 대한 산소 분자의 이온화는 막의 음극 측에서 수행된 후, 산소 이온은 이온 수송막을 통하여 수송된다. 산소 이온은 막 반대편의 양극 측에서 이온제거되어, 산소 분자를 재형성한다. 단지 이온 전도성을 나타내는 물질에 있어서, 외부의 전극은 전해질의 표면상에 배치될 수 있고, 전기 전류는 외부 회로에서 운반된다. 혼합 전도 물질에서, 전자는 음극 내부로 수송되며, 따라서, 회로가 완성되고, 외부 전극의 필요물을 제거할 수 있다. 산소 이온 전도체가 전자 전도체와 혼합된 이중 전도체는 혼합된 전도체의 형태이다.At elevated temperatures, the oxygen ion transport material contains mobile oxygen ion vacancy that provides an induction site for selective transport of oxygen ions through the material. The transport is induced by the difference in the partial pressure across the membrane, such as the flow of oxygen ions from the side with the higher partial pressure of oxygen to the side with the lower pressure of oxygen. After ionization of oxygen molecules to oxygen ions is performed on the cathode side of the membrane, oxygen ions are transported through the ion transport membrane. Oxygen ions are deionized at the anode side opposite the membrane, rebuilding oxygen molecules. For materials exhibiting only ionic conductivity, an external electrode can be disposed on the surface of the electrolyte, and electrical current is carried in the external circuit. In the mixed conducting material, the electrons are transported inside the cathode, thus completing the circuit and eliminating the need for an external electrode. Double conductors in which oxygen ion conductors are mixed with electron conductors are in the form of mixed conductors.

탄소질의 공급원료를 포함하는 부분적 산화 반응(POx) 및/또는 스팀 형성 반응은 합성 가스를 생성시키기 위한 통상적인 방법이다. 합성 가스 및 이들의 주요 성분 즉, 일산화 탄소 및 수소는 유용한 산업적 가스이며, 암모니아, 알코올(메탄올 및 고급 탄소 알코올), 합성 연료, 아세트산, 알데히드 및 에테르 등을 포함한 화학 약품을 생산하기 위한 중요한 전구체이다. 천연 가스, 석탄, 휘발유 및 연료 오일을 포함한 공급 원료가 부분 산화 또는 스팀 재형성 반응에 의해 합성 가스를 생성하는 데 통상적으로 사용된다. 이러한 반응은 아래와 같다:Partial oxidation reactions (POx) and / or steam formation reactions involving carbonaceous feedstocks are conventional methods for producing synthesis gas. Syngas and its main components, carbon monoxide and hydrogen, are useful industrial gases and are important precursors for producing chemicals including ammonia, alcohols (methanol and higher carbon alcohols), synthetic fuels, acetic acid, aldehydes and ethers, and the like. . Feedstocks, including natural gas, coal, gasoline and fuel oils, are commonly used to produce syngas by partial oxidation or steam reforming reactions. The reaction is as follows:

CmHn+ m/2 O2= m CO + n/2 H2POx, 발열성C m H n + m / 2 O 2 = m CO + n / 2 H 2 POx, exothermic

CmHn+ m H2O = CO + (m+n/2) H2SR, 발열성C m H n + m H 2 O = CO + (m + n / 2) H 2 SR, pyrogenic

여기서, CH는 탄화수소 공급 원료이다.CH is a hydrocarbon feedstock here.

반응 속도 및 특정 생성물의 선택성을 향상시키기 위해서, 고정층 또는 유동층의 형태중의 외부 촉매가 이용될 수 있다. 개별적 합성 가스 성분, 즉 현저한 수소 및 일산화탄소는 압력 스윙(swing) 흡착법, 온도 스윙 흡착법, 중합 막법 및 저온성 증류법과 같은 당해분야에 공지된 많은 통상적인 가스 분리 방법을 이용하여 수득될 수 있다. 물-가스 교체 반응은 스팀(CO + H2O = CO2+ H2)과의 반응에 의한 합성 가스중의 CO를 H2및 CO2로 전환시킴으로써 수소의 수득량을 증가시킬 수 있다.In order to improve the reaction rate and selectivity of a particular product, an external catalyst in the form of a fixed bed or fluidized bed may be used. Individual syngas components, namely hydrogen and carbon monoxide, can be obtained using many conventional gas separation methods known in the art, such as pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, polymerization membranes, and low temperature distillation. The water-gas replacement reaction can increase the yield of hydrogen by converting CO in the synthesis gas into H 2 and CO 2 by reaction with steam (CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ).

통상적인 부분 산화 방법은 보통 100℃ 미만의 온도에서 작용하는 통상적인 가스 분리 방법에 의해 생성된 산소 분자를 주로 이용한다. 일반적으로 부분 산화 반응 자체가 800℃를 넘는 높은 온도를 필요로 하기 때문에, 부분 산화 반응 및 통상적인 산소 분리사이의 통합은 종래에는 실현되지 않았다. 그 결과, 통상적인 부분적 산화 반응은 종종 낮은 공급 원료 전환, 수소 대 일산화탄소의 낮은 비, 및 수소 및 일산화탄소의 낮은 선택성을 특징으로 한다. 또한, 부분 산화 반응에 통상적으로 필요한 외부 산소 공급은 자본 및 작업 비용에 현저하게 첨가되며, 총 합성 가스 생성 비용의 40% 정도일 수 있다. 게다가, 최종 생성물로서 단지 수소만 필요할 경우, 부분 산화 반응 생성물을 유도하는 많은 일산화탄소 가스의 양은 두 단계 이동 전환을 필요로 하기 때문에, 비효율적이다.Conventional partial oxidation methods mainly utilize oxygen molecules produced by conventional gas separation processes that usually operate at temperatures below 100 ° C. In general, the integration between the partial oxidation reaction and conventional oxygen separation has not been realized in the past because the partial oxidation reaction itself requires a high temperature above 800 ° C. As a result, conventional partial oxidation reactions are often characterized by low feedstock conversion, low ratio of hydrogen to carbon monoxide, and low selectivity of hydrogen and carbon monoxide. In addition, the external oxygen supply typically required for partial oxidation reactions is significantly added to capital and operating costs, and may be as high as 40% of the total syngas production costs. In addition, when only hydrogen is needed as the final product, the large amount of carbon monoxide gas leading to the partial oxidation reaction product is inefficient because it requires a two-step transfer conversion.

스팀 재형성 반응은 또한 합성 가스 생성에 이용된다. 스팀 재형성 공정이 부분 산화 반응보다 유기 연료의 몰당 더 많은 수소를 생성하기 때문에, 상기 공정이 수소 및 높은 H2/CO 비(즉, 2보다 높은 비율)를 갖는 혼합물을 생성하는 데 더욱 유리하다. 그러나, 스팀 재형성은 상당한 양의 열 에너지를 필요로하는 흡열 반응이며, 따라서, H2/CO의 비가 2 미만일 경우, 합성 가스 생성에 대한 좋은 방법이 아니다.Steam reforming reactions are also used to produce syngas. Since the steam reforming process produces more hydrogen per mole of organic fuel than the partial oxidation reaction, the process is more advantageous for producing a mixture with hydrogen and a high H 2 / CO ratio (i.e. higher than 2). . However, steam reforming is an endothermic reaction that requires a significant amount of thermal energy, and therefore is not a good method for syngas production when the ratio of H 2 / CO is less than 2.

종래에서, 산소 이온 수송막 시스템 영역의 발달은 가스 터빈과 함께 막 시스템의 조합을 포함해 왔다. 미국 특허 번호 제 5,516,359호, 제 5,562,754호, 제 5,565,017호 및 EPO 특허 제 0,658,366호에는 가스 터빈 시스템과 통합된 방법에서 산소의 생성법이 개시되어 있다. 본 원에 참고문헌으로 이용된 타이틀이 가스 터빈과 통합된 고체 전재질 막을 이용하여 산소를 생성하고 전력을 생성시키기 위한 방법인 미국 특허 출원 번호 제 08/490,362호는 또한 가스 터빈과 통합된 이온 수송막 시스템을 이용한 산소 생성과 연결된다.In the past, advances in the area of oxygen ion transport membrane systems have included the combination of membrane systems with gas turbines. U.S. Pat.Nos. 5,516,359, 5,562,754, 5,565,017 and EPO 0,658,366 disclose the production of oxygen in a method integrated with gas turbine systems. US patent application Ser. No. 08 / 490,362, titled herein by reference to a method for generating oxygen and generating power using a solid dielectric film integrated with a gas turbine, also includes ion transport integrated with a gas turbine. It is associated with oxygen production using a membrane system.

합성 가스 생성에 유용한 산소 이온 수송막 물질은 유. 발라칸드란(U. Balachandran) 등의 문헌[Fabrication and Characterization of Dense Ceramic Membranes for Partial Oxidation of Methane, Proc. of Coal Liquefaction and Gas Conversion Contractors' Review Conference, Pittsburgh, PA(Aug. 29-31, 1995) and Dense Ceramic Membranes for Converting Methane to Syngas, submitted to the First International Conference on Ceramic Membrnaes, 188th meeting to the Electrochemical Society, Inc., Chigo, IL (Oct. 8-13, 1995)]에 개시되어 있다. 미국 특허 제 5,306,411호에는 부분 산화(합성 가스 생성에 대한) 또는 메탄의 산화 커플링을 갖는 산소 분리와 관련된 방법이 개시되어 있다.Oxygen ion transport membrane material useful for syngas production. U. Balachandran et al., Fabrication and Characterization of Dense Ceramic Membranes for Partial Oxidation of Methane, Proc. of Coal Liquefaction and Gas Conversion Contractors' Review Conference, Pittsburgh, PA (Aug. 29-31, 1995) and Dense Ceramic Membranes for Converting Methane to Syngas, submitted to the First International Conference on Ceramic Membrnaes, 188th meeting to the Electrochemical Society, Inc., Chigo, IL (Oct. 8-13, 1995). U. S. Patent No. 5,306, 411 discloses a process involving oxygen separation with partial oxidation (for synthesis gas production) or oxidative coupling of methane.

이온 수송막 시스템을 포함한 최근의 기술적 향상에도 불구하고, 현 발명가들은 고체 전해질 이온 수송막을 이용한 합성 가스의 생성 및 수소 분리 시스템을 기초로 한 이온 수송막 시스템을 실제로 통합시키고, 추가로 단일 유닛에서의 이들의 분리에 관한 어떠한 것도 발견하지 못했다.Despite recent technical improvements, including ion transport membrane systems, the present inventors have actually integrated ion transport membrane systems based on the generation and synthesis of hydrogen separation systems using solid electrolyte ion transport membranes, and further in a single unit. Nothing about their separation was found.

본 발명의 목적은 팔라듐 또는 팔라듐 합금을 기초로한 수소 수송막과 같은 수소 수송막과 양성 수송막을 이용하여 산소 이온 수송을 기초로 하는 합성 가스 생성과 수소 분리를 통합시키는 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for integrating hydrogen separation and synthesis gas production based on oxygen ion transport using a hydrogen transport membrane such as a hydrogen transport membrane based on palladium or a palladium alloy and a positive transport membrane.

본 발명의 추가의 목적은 부분적 산화 및 스팀 재형성 반응이 함께 발생하여 에너지 중립 형성에 근접하게 달성시키는 방법을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a method in which partial oxidation and steam reforming reactions occur together to achieve near energy neutral formation.

본 발명의 또 다른 목적은 경제적이고, 융통성 있고 열역학적으로 효율적인 개선된 합성 가스 생성 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide an improved process for producing syngas that is economical, flexible and thermodynamically efficient.

본 발명의 추가의 목적은 탈열제로서의 산소 이온 수송막의 음극 측에서 비교적 많은 양의 산소 함유 가스(일반적으로 공기)를 이용하여 반응 열을 조화시키는 데 있다.It is a further object of the present invention to harmonize the heat of reaction using a relatively large amount of oxygen-containing gas (generally air) on the cathode side of the oxygen ion transport membrane as the heat release agent.

본 발명의 추가 목적은 양극 측에서의 반응물 가스를 음극 측에서의 산소 함유 스트림(일반적으로 공기)에 역류로 흐르게 하여 가스 입구 및 출구 온도를 반응 온도 보다 더 낮게하는 데 있다.A further object of the present invention is to allow the reactant gas at the anode side to flow countercurrently to an oxygen-containing stream (generally air) at the cathode side to lower the gas inlet and outlet temperatures below the reaction temperature.

본 발명의 추가 목적은 이온 수송막을 이용하여 합성 가스 전환 구역으로부터 수소를 제거함으로써 양극 측에서 유기 연료에서 합성 가스로의 전환을 증가시키는 데 있다.It is a further object of the present invention to increase the conversion of organic fuel to synthesis gas at the anode side by removing hydrogen from the synthesis gas conversion zone using an ion transport membrane.

당업자는 다른 목적, 특징 및 이점을 하기의 바람직한 구체예의 설명 및 수반된 도면으로부터 알 수 있을 것이다.Other objects, features and advantages will become apparent to those skilled in the art from the following description of the preferred embodiments and the accompanying drawings.

도 1은 합성 가스가 산소 반응기중의 산소 이온 수송막으로부터 배출되고, 수소 가스가 수소 분리기중의 수소 수송막으로부터 배출되는 본 발명에 따라 수소 가스 및 합성 가스를 생성시키는 시스템의 개략도이다;1 is a schematic diagram of a system for producing hydrogen gas and syngas according to the present invention wherein syngas is discharged from an oxygen ion transport membrane in an oxygen reactor and hydrogen gas is discharged from a hydrogen transport membrane in a hydrogen separator;

도 2는 산소가 합성 가스를 생성하는 산소 이온 수송막을 통하여 투과하고, 합성 가스로부터의 수소는 수소를 생성하는 수소 수송막을 통하여 투과되는 본 발명에 따라 수소 가스 및 합성 가스를 생성기키는 시스템의 개략도이며, 상기 두 개의 막은 하나의 반응기내에서 위치한다.2 is a schematic diagram of a system for generating hydrogen gas and synthesis gas in accordance with the present invention in which oxygen is permeated through an oxygen ion transport membrane that produces a synthesis gas and hydrogen from the synthesis gas is permeated through a hydrogen transport membrane that produces hydrogen. The two membranes are located in one reactor.

본 발명은 수소 가스 및 합성 가스를 생성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송막을 갖는 산소 반응기로 통과시킴을 포함한다. 상기 반응기는 산소 이온 수송막에 의해 분리된 제 1 구역 및 제 2 구역을 갖는다. 혼합물로부터의 적어도 산소의 일부는 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송되어, 기체상 유기 연료를 함유하는 정제 스트림과 반응시키면서, 제 1 구역으로부터 산소 감손된 보유 스트림을 발생시킨다. 정제 스트림은 제 2 구역으로 통과하여, 수송된 산소와 반응하여 합성 가스를 생성한다. 상기 합성 가스는 하나 이상의 수소 수송막과 접촉함으로써, 고순도의 수소 투과물 및 수소 감손된 합성 가스 보유물을 생성한다. 결과적으로, 수소 가스 스트림 생산물로서 고순도의 수소 투과물이 회수된다.The present invention relates to a method for producing hydrogen gas and synthesis gas. The method includes passing a compressed and heated oxygen containing gas mixture to an oxygen reactor having one or more solid electrolyte oxygen ion transport membranes. The reactor has a first zone and a second zone separated by an oxygen ion transport membrane. At least a portion of the oxygen from the mixture is transported through the oxygen ion transport membrane from the first zone to the second zone, reacting with the purification stream containing the gaseous organic fuel to generate an oxygen depleted retention stream from the first zone. The purification stream passes to the second zone and reacts with the transported oxygen to produce synthesis gas. The syngas is contacted with one or more hydrogen transport membranes to produce high purity hydrogen permeate and hydrogen depleted syngas retention. As a result, high purity hydrogen permeate is recovered as the hydrogen gas stream product.

또 다른 구체예는 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송막을 갖는 산소 반응기로 통과시키는 단계를 포함한다. 상기 반응기는 제 1 산소 이온 수송막에 의해 분리된 제 1 구역 및 제 2 구역을 갖는다. 혼합물로부터의 적어도 산소의 일부는 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송되어, 제 1 구역으로부터의 산소 감손된 보유 스트림을 생성한다. 기체상 유기 연료, 스팀 및 임의적으로 CO2는 제 2 구역으로 통과하여, 수송된 산소와 반응하여 합성 가스를 생성한다. 제 2 구역으로 주입되는 스팀 및 CO2의 양을 조정하여 생성되는 합성 가스 스트림의 H2/CO의 비를 변화시킬 수 있다. 제 2 구역으로부터의 합성 가스의 스트림을 회수하고, 하나 이상의 고체 전해질 수소 수송막을 갖는 수소 분리기중의 제 3 구역으로 통과시킨다. 상기 수소 분리기는 수소 수송막에 의해 분리된 제 3 구역 및 제 4 구역을 갖는다. 적어도 수소 가스의 일부는 제 3 구역과 제 4 구역 사이의 수소 수송막을 통하여 수송되어, 제 4 구역에서의 수소 투과물 및 제 3 구역에서의 수소 감손된 합성 가스를 생성한다. 수소 생성물로서의 수소 투과물이 제 4 구역에서 회수된다. 수소 분리는 산소 이온 수송막과 동일하거나 또는 적당히 낮은 온도에서 작동하도록 선택된다.Another embodiment includes passing a compressed and heated oxygen containing gas mixture to an oxygen reactor having one or more solid electrolyte oxygen ion transport membranes. The reactor has a first zone and a second zone separated by a first oxygen ion transport membrane. At least a portion of the oxygen from the mixture is transported through the oxygen ion transport membrane from the first zone to the second zone, producing an oxygen depleted retention stream from the first zone. The gaseous organic fuel, steam and optionally CO 2 , pass to the second zone and react with the transported oxygen to produce syngas. The amount of steam and CO 2 injected into the second zone can be adjusted to vary the ratio of H 2 / CO in the resulting synthesis gas stream. A stream of syngas from the second zone is recovered and passed through a third zone in a hydrogen separator having one or more solid electrolyte hydrogen transport membranes. The hydrogen separator has a third zone and a fourth zone separated by a hydrogen transport membrane. At least a portion of the hydrogen gas is transported through the hydrogen transport membrane between the third and fourth zones to produce hydrogen permeate in the fourth zone and hydrogen depleted synthesis gas in the third zone. Hydrogen permeate as hydrogen product is recovered in the fourth zone. Hydrogen separation is chosen to operate at the same or moderately lower temperature as the oxygen ion transport membrane.

또 다른 구체예에서, 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물은 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송 선택막 및 하나 이상의 고체 전해질 수소 수송막을 갖는 산소 반응기로 통과한다. 상기 반응기는 제 1 구역, 제 2 구역 및 제 3 구역을 갖는다. 혼합물로부터의 적어도 산소의 일부는 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송되어, 제 1 산소 투과 스트림을 공급하여 기체상 유기 연료를 함유하는 정제 스트림과 반응시키면서, 산소 감손된 보유 스트림을 생성시킨다. 정제 스트림은 제 2 구역으로 통과하여, 수송된 산소와 반응하여 합성 가스를 생성한다. 합성 가스는 하나 이상의 수소 수송막과의 접촉하도록 유도되어, 제 3 구역에서 고순도의 수소 투과물을 생성하고, 제 2 구역에서는 수소 감손된 합성 가스 보유물이 잔존한다. 그 후, 수소 생성물로서 수소 투과물이 제 3 구역에서 회수한다. 합성 가스 전환 구역으로부터의 수소 회수의 이점중 하나는 적합한 균형을 유지하여 반응을 완성하도록 유도하는 것이다.In another embodiment, the compressed and heated oxygen containing gas mixture is passed to an oxygen reactor having at least one solid electrolyte oxygen ion transport selection membrane and at least one solid electrolyte hydrogen transport membrane. The reactor has a first zone, a second zone and a third zone. At least a portion of the oxygen from the mixture is transported through the oxygen ion transport membrane from the first zone to the second zone, feeding the first oxygen permeate stream and reacting with the purification stream containing the gaseous organic fuel, while retaining the oxygen depleted stream. Creates. The purification stream passes to the second zone and reacts with the transported oxygen to produce synthesis gas. The synthesis gas is directed to contact with one or more hydrogen transport membranes, producing a high purity hydrogen permeate in the third zone, with hydrogen depleted synthesis gas retentate remaining. The hydrogen permeate is then recovered in the third zone as the hydrogen product. One of the advantages of hydrogen recovery from the synthesis gas conversion zone is to maintain a suitable balance to complete the reaction.

일부 구체예에서, 산소 함유 가스 혼합물은 제 1 구역으로부터의 산소 감손된 보유 가스, 수소 분리기로부터의 수소 감손된 보유 합성 가스 및 수소 투과 가스를 포함하는 하나 이상의 스트림을 갖는 간접 열 교환기에 의해 적어도 부분적으로 가열된다.In some embodiments, the oxygen containing gas mixture is at least partially by an indirect heat exchanger having one or more streams comprising oxygen depleted retention gas from the first zone, hydrogen depleted retention synthesis gas from the hydrogen separator and hydrogen permeate gas. Heated to.

본 원에 사용된 용어 반응기는 수송된 산소가 화학적 반응을 겪음으로서, 산소가 소모되는 분리기를 뜻한다.The term reactor, as used herein, refers to a separator where oxygen is consumed as the transported oxygen undergoes a chemical reaction.

본 발명은 산소 함유 가스 즉, 공기로부터 산소를 분리하고, 부분 산화 반응물 및 임의적으로 탄소질 공급원의 스팀 재형성 반응물에서 분리된 산소를 이용하기 위한 고체 산소 이온 수송막을 이용하는 수소 생성에 대한 공정에 의해 달성될 수 있다. 부분 산화 및/또는 스팀 재형성 반응물은 수소 수송막을 경우하여 수소를 생성하는 데 이용되는 합성 가스를 생성한다.The present invention provides a process for hydrogen production using a solid oxygen ion transport membrane to separate oxygen from an oxygen containing gas, ie air, and to utilize oxygen separated from a partial oxidation reactant and optionally from a steam reforming reactant of a carbonaceous source. Can be achieved. Partial oxidation and / or steam reforming reactants produce syngas that is used to produce hydrogen in the case of hydrogen transport membranes.

산소 이온 막 반응기의 양극 측에서 연료의 산화는 막의 상기 양극 측에서의 산소의 분압을 감소시킨다. 이것은 높은 산소 유량 및 더 낮은 막 영역 요건을 달성함으로써 산소 반응기에서의 구동력을 강화시킨다. 산소 함유 공급 가스가 비교적 낮은 압력으로, 연료 사이드(side)는 높은 압력으로 유지되어, 시스템의 더 낮은 전력을 필요로 하는 경우에도 상기 이익이 생긴다. 부분 산화 반응 즉, 발열 반응 및 스팀 재형성 반응 즉, 흡열 반응은 동일한 반응기에서 수행되어, 거의 어네지 중성 시스템을 획득할 수 있다. 또한, 산소 함유 가스(일반적으로 공기)의 비교적 많은 양의 형태에서 열 싱크는 반응 열의 추가적 균형을 허용하고, 반응 구역의 온도를 조정한다. 또 다른 구체예에서, 부분 산화 및 스팀 재형성 반응은 이온 수송 분리기에서 발생한다. 그 후, 부분 산화 및/또는 스팀 재형성 반응에 의한 산소 이온 수송 반응기에 의해 생성된 생성 합성 가스는 수소 막 수송 분리기에 공급된다. 바람직하게는, 산소 함유 가스 및 반응 연료는 역류로 흐른다. 보다 낮은 온도에서의 연료 및 산소 함유 가스 스트림의 도입 및 반응기로의 내부의 열 전달에 의존하여, 반응기의 가스 입구 및 출구에서의 시일 및 구조적 성분으로서의 임계 반응기 부분을 기계적 설계 및 보다 낮은 제조 비용을 용이하게 하기 위한 중간 온도에서 유지시키는 것이 가능하다.Oxidation of the fuel at the anode side of the oxygen ion membrane reactor reduces the partial pressure of oxygen at the anode side of the membrane. This enhances the driving force in the oxygen reactor by achieving high oxygen flow rates and lower membrane area requirements. With the oxygen-containing feed gas at a relatively low pressure, the fuel side is maintained at a high pressure, which benefits even when the system requires lower power. The partial oxidation reaction, ie the exothermic reaction and the steam reforming reaction, ie the endothermic reaction, can be carried out in the same reactor, so as to obtain a nearly anneal neutral system. In addition, in the form of relatively large amounts of oxygen-containing gas (generally air), the heat sink allows further balance of the heat of reaction and adjusts the temperature of the reaction zone. In another embodiment, the partial oxidation and steam reforming reactions occur in an ion transport separator. The product synthesis gas produced by the oxygen ion transport reactor by partial oxidation and / or steam reforming reaction is then fed to a hydrogen membrane transport separator. Preferably, the oxygen containing gas and the reactant fuel flow in countercurrent. Relying on the introduction of fuel and oxygen containing gas streams at lower temperatures and internal heat transfer to the reactor, the critical reactor portion as a seal and structural component at the gas inlet and outlet of the reactor is reduced to mechanical design and lower manufacturing costs. It is possible to maintain at an intermediate temperature for ease.

산소 이온 수송막은 산소 함유 가스 스트림으로부터 산소를 분리하는 데 이용된다. 산소 이온 및 전자를 전도할 수 있는 물질은 본 원에서 혼합된 전도 산화물 또는 혼합된 전도체로서 언급되었다. 본 발명에서, 많은 전위적으로 혼합된 전도체는 형석 및 회티탄석 결정체 구조 둘 모두에서 확인되어 왔다. 표 Ⅰ은 산소 생성에 대한 중요한 혼합된 전도체의 부분적인 리스트이다.Oxygen ion transport membranes are used to separate oxygen from an oxygen containing gas stream. Materials capable of conducting oxygen ions and electrons are referred to herein as mixed conducting oxides or mixed conductors. In the present invention, many potential mixed conductors have been identified in both fluorite and ash titanite crystal structures. Table I is a partial list of important mixed conductors for oxygen production.

혼합된 전도체Mixed conductor 물질 조성Substance composition 1.One. (La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, δ 화학양론으로부터 수득)(La 1-x Sr x ) (Co 1-y Fe y ) O 3-δ (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, obtained from δ stoichiometry) 2.2. SrMnO3-δSrMn1-xCoxO3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, δ 화학양론으로부터 수득)Sr1-xNaxMnO3-δ SrMnO 3-δ SrMn 1-x Co x O 3-δ (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, obtained from δ stoichiometry) Sr 1-x Na x MnO 3-δ 3.3. BaFe0.5Co0.5YO3SrCeO3YBa2Cu3O7-β(0≤β≤1, β 화학량론으로부터 수득) BaFe 0.5 Co 0.5 YO 3 SrCeO 3 YBa 2 Cu 3 O 7-β ( obtained from 0≤β≤1, β stoichiometry) 4.4. La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6; Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6 La 0.2 Ba 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 2.6 ; Pr 0.2 Ba 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 2.6 5.5. AxA'x'AxByB'y'ByO3-z(x,x',x,y,y',y 모두 0 내지 1 범위)여기에서, A,A',A=1,2,3족 및 f-블록 란탄 계열원소B, B',B=d-블록 전이금속A x A 'x' A x B y B 'y' B y O 3-z (x, x ', x, y, y', y all range from 0 to 1) where A, A ', A = Group 1,2,3- and f-block lanthanide series elements B, B ', B = d-block transition metals 6.6. (a) Co-La-Bi 형: 코발트산화물 15-17몰%란탄산화물 13-45몰%비스무트산화물 17-50몰%(b) Co-Sr-Ce 형: 코발트산화물 15-40몰%스트론튬산화물 40-55몰%세륨산화물 15-40몰%(c) Co-Sr-Bi 형: 코발트산화물 10-40몰%스트론튬산화물 5-50몰%비스무트산화물 35-70몰%(d) Co-La-Ce 형: 코발트산화물 10-40몰%란탄산화물 10-40몰%세륨산화물 30-70몰%(e) Co-La-Sr-Bi 형: 코발트산화물 15-70몰%란탄산화물 1-40몰%스트론튬산화물 1-40몰%비스무트산화물 25-50몰%(f) Co-La-Sr-Ce 형: 코발트산화물 10-40몰%란탄산화물 1-35몰%스트론튬산화물 1-35몰%세륨산화물 30-70몰%(a) Co-La-Bi type: cobalt oxide 15-17 mol% lanthanum oxide 13-45 mol% bismuth oxide 17-50 mol% (b) Co-Sr-Ce type: cobalt oxide 15-40 mol% strontium oxide 40-55 mol% cerium oxide 15-40 mol% (c) Co-Sr-Bi type: cobalt oxide 10-40 mol% strontium oxide 5-50 mol% bismuth oxide 35-70 mol% (d) Co-La- Ce type: 10-40 mol% cobalt oxide 10-40 mol% lanthanum oxide 30-70 mol% (e) Co-La-Sr-Bi type: cobalt oxide 15-70 mol% lanthanum oxide 1-40 mol% Strontium oxide 1-40 mol% Bismuth oxide 25-50 mol% (f) Co-La-Sr-Ce type: cobalt oxide 10-40 mol% lanthanum oxide 1-35 mol% strontium oxide 1-35 mol% cerium oxide 30 -70 mol%

7.7. Bi2-x-yM'xMyO3-δ(0≤x≤1, 0≤y≤1, δ 화학량론으로부터 수득)여기에서: M'=Er, Y, Tm, Yb, Tb, Lu, Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th,Ta, Nb, Pb, Sn, In, Ca, Sr, La 및 이들의 혼합물M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 이들의 혼합물Bi 2-xy M ′ x M y O 3-δ (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, obtained from δ stoichiometry) where: M ′ = Er, Y, Tm, Yb, Tb, Lu, Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th, Ta, Nb, Pb, Sn, In, Ca, Sr, La and mixtures thereof M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu and mixtures thereof 8.8. BaCe1-xGdxO3-x/2;여기에서, x는 0 내지 약 1이다.BaCe 1-x Gd x O 3-x / 2 ; where x is from 0 to about 1. 9.9. AsA'tBuB'vBwOx족 중 한 물질로서 그 조성은 출원인이 마자넥(Mazanec) 등인 미국특허 제 5,306,411호에 다음과 같이 기술되어 있다:A는 란탄족 원소 또는 Y, 또는 이들의 혼합물을 나타내고;A'는 알칼리토금속 또는 이들의 혼합물을 나타내고;B는 Fe를 나타내고;B'는 Cr 또는 Ti, 또는 이들의 혼합물을 나타내고;B은 Mn, Co, V, Ni 또는 Cu, 또는 이들의 혼합물을 나타내며;s, t, u, v, w 및 x는s/t가 약 0.01 내지 약 100;u가 0.01 내지 약 1;v가 0 내지 약 1;w가 0 내지 약 1;x가 화학식에서 A, A', B, B', B의 원자가를 만족시키는 수; 및0.9(s+t)/(u+v+w) 1.1이 되게 하는 수이다.A s A ' t B u B' v B w O x A material of which the composition is described in U.S. Patent No. 5,306,411 to Mazanec et al .: A is a lanthanide or Y Or a mixture thereof; A ′ represents an alkaline earth metal or mixture thereof; B represents Fe; B ′ represents Cr or Ti, or a mixture thereof; B represents Mn, Co, V, Ni or Cu, or a mixture thereof; s, t, u, v, w and x have a s / t of about 0.01 to about 100; u of 0.01 to about 1; v of 0 to about 1; w of 0 to about 1; x is a number satisfying the valences of A, A ', B, B', and B in the formula; And 0.9 (s + t) / (u + v + w) to be 1.1. 10.10. La1-xSrxCu1-yMyO3-δ족의 한 물질, 여기에서:M은 Fe 또는 Co를 나타내고;x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이며;δ는 화학식에서 La, Sr, Cu 및 M의 원자가를 만족시키는 수이다.La 1-x Sr x Cu 1-y M y O A material of group 3-δ , wherein: M represents Fe or Co; x is from 0 to about 1; y is from 0 to about 1; It is a number satisfying the valences of La, Sr, Cu and M in the formula. 11.11. Ce1-xAxO2-δ족 중 한 물질, 여기에서:A는 란탄족 원소, Ru 또는 Y, 또는 이들의 혼합물을 나타내고;x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이며;δ는 화학식에서 Ce 및 A의 원자가를 만족시키는 수이다.One of the Ce 1-x A x O 2-δ groups, wherein: A represents a lanthanide element, Ru or Y, or a mixture thereof; x is from 0 to about 1; y is from 0 to about 1 δ is a number satisfying the valences of Ce and A in the formula. 12.12. Sr1-xBixFeO3-δ족 중 한 물질, 여기에서:A는 란탄족 원소 또는 Y, 또는 이들의 혼합물을 나타내고;x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이며;δ는 화학식에서 Ce 및 A의 원자가를 만족시키는 수이다.One of the Sr 1-x Bi x FeO 3-δ groups, wherein: A represents a lanthanide element or Y, or mixtures thereof; x is from 0 to about 1; y is from 0 to about 1; δ Is a number satisfying the valences of Ce and A in the formula.

13.13. SrxFeyCoZOw족 중 한 물질, 여기에서:x는 0 내지 약 1이고;y는 0 내지 약 1이고;z는 0 내지 약 1이며;w는 화학식에서 Sr, Fe 및 Co의 원자가를 만족시키는 수이다.Sr x Fe y Co Z O w A group of substances, wherein: x is from 0 to about 1; y is from 0 to about 1; z is from 0 to about 1; w is of the formula Sr, Fe and Co The number satisfying the valence. 14.14. 이중상 혼합된 전도체 (전자/이온성):(Pd)0.5/(YSZ)0.5(Pt)0.5/(YSZ)0.5(B-MgLaCrOx)0.5(YSZ)0.5(In90%Pt10%)0.6/(YSZ)0.5(In90%Pt10%)0.5/(YSZ)0.5(In95%Pr2.5%Zr2.5%)0.5/(YSZ)0.51 내지 13에 기술된 물질중 임의의 물질에 고온 금속상(예를 들어, Pd, Pt, Ag, Au, Ti, Ta, W)이 첨가된다.Double phase mixed conductor (electron / ionic): (Pd) 0.5 / (YSZ) 0.5 (Pt) 0.5 / (YSZ) 0.5 (B-MgLaCrO x ) 0.5 (YSZ) 0.5 (In 90% Pt 10% ) 0.6 / (YSZ) 0.5 (In 90% Pt 10% ) 0.5 / (YSZ) 0.5 (In 95% Pr 2.5% Zr 2.5% ) 0.5 / (YSZ) 0.5 Hot metal phase on any of the materials described in 1 to 13 (For example, Pd, Pt, Ag, Au, Ti, Ta, W) is added.

혼합된 전도체 또는 이중상 전도체가 압력 유도 이온 수송 분리기에 바람직함에도 불구하고, 본 발명은 또한 전자적으로 유도된 이온 수송막의 사용법을 꾀하여 한다. 통상적으로, 이온 수송막은 다공성 물질상에 지지된 밀집한 필름 또는 얇은 필름의 형태로 존재할 수 있다. 막 층의 두께는 통상적으로 약 5000 미크론 미만, 바람직하게는 1000 미크론 미만, 가장 바람직하게는 100 미크론 미만이다. 이온 수송 막은 관형 또는 평면형일 수 있다.Although mixed conductors or double phase conductors are preferred for pressure induced ion transport separators, the present invention also contemplates the use of electronically induced ion transport membranes. Typically, the ion transport membrane can be in the form of a dense or thin film supported on the porous material. The thickness of the membrane layer is typically less than about 5000 microns, preferably less than 1000 microns, and most preferably less than 100 microns. The ion transport membrane can be tubular or planar.

이와 유사하게, 수소 수송막은 합성 가스 스트림으로부터 수소를 분리하는 데 이용된다. 임의의 여러 고온 수소 기술을 이용한 팔라듐 또는 팔라듐 합금, 또는 양성 전도체와 같은 많은 수소 분리 유닛 예를 들어, 수소 투과 가능한 고체 막이 이용 가능하다. 바람직하게는, 양성 전도체가 이용된다. 표 Ⅱ는 수소 분리를 위해 중요한 수소 전도체의 부분적인 리스트이다.Similarly, hydrogen transport membranes are used to separate hydrogen from syngas streams. Many hydrogen separation units such as palladium or palladium alloys, or positive conductors using any of several high temperature hydrogen technologies, for example hydrogen permeable solid membranes are available. Preferably, a positive conductor is used. Table II is a partial list of important hydrogen conductors for hydrogen separation.

고온 양성자 전도체(각주: 여기서 'd'는 유닛당 산소 결합을 의미한다)High temperature proton conductors (footnote: where 'd' means oxygen bond per unit) 물질 조성Substance composition 1.One. 하기 사항을 기본으로 하는 도우프(dope)된 납고:(a) SrCe1-xMxO3-δ(예를 들어, Sr0.95Ce0.05YbO3-δ) 및(b) BaCe1-xMxO3-δ(예를 들어, BaCe0.8Y0.2O3-δ및 BaCe0.9Nd0.1O3-δ)여기서, x< 고형 용액 형성 범위의 상위 제한 보다, 일반적으로 약 0.2(일반적으로, 도우프된 바륨 납고는 가장 높은 전도성을 나타낸다.)Doped silt based on: (a) SrCe 1-x M x O 3-δ (e.g., Sr 0.95 Ce 0.05 YbO 3-δ ) and (b) BaCe 1-x M x O 3-δ (e.g., BaCe 0.8 Y 0.2 O 3-δ and BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3-δ ) where x <generally higher than about the upper limit of the solid solution formation range, typically about 0.2 (dough The printed barium lead has the highest conductivity.) 2.2. 하기와 같이 치환된 고형 용액 열:(a) SrCe0.9YxNbyO3-δ[δ=(x-y)/2 및 x+y=0.1] 및(b) SrCe1-zZrzY0.05O3-δ[δ=0.025]Solid solution heat substituted as follows: (a) SrCe 0.9 Y x Nb y O 3-δ [δ = (xy) / 2 and x + y = 0.1] and (b) SrCe 1-z Zr z Y 0.05 O 3-δ [δ = 0.025] 3.3. 수용체(Sc, Y, Yb)-도우프된 SrZrO3및 SrTiO3, 회티탄석 형Receptor (Sc, Y, Yb) -doped SrZrO 3 and SrTiO 3 , gray titaniumite 4.4. CaZrO3(예를 들어, CaZr0.9In0.1O3-δ), SrZrO3(예를 들어, SrZr0.95Y0.05O3-δ및 SrZr0.9Yb0.1O3-δ) 및 BaZrO3를 기초로한 도우프된 지르코네이트Dough based on CaZrO 3 (eg CaZr 0.9 In 0.1 O 3-δ ), SrZrO 3 (eg SrZr 0.95 Y 0.05 O 3-δ and SrZr 0.9 Yb 0.1 O 3-δ ) and BaZrO 3 Printed Zirconate 5.5. SrYb0.05(Ce1-xZrx)0.95O3-δ[예를 들어, x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 및 δ 화학양론으로부터 수득]SrYb 0.05 (Ce 1-x Zr x ) 0.95 O 3-δ [eg, obtained from x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 and δ stoichiometry] 6.6. A2(B'B)O6[B' 및 B 이온은 3+ 및 5+이다], A3(B'B2)O9[B' 및 B 이온은 2+ 및 5+인 반면, A 이온은 항상 2+이다]의 복합 회티탄석예를 들어, Ba3(CaNB2)O9 A 2 (B'B) O 6 [B 'and B ions are 3+ and 5+], A 3 (B'B 2 ) O 9 [B' and B ions are 2+ and 5+, while A Ions are always 2+] complex gray titaniumite, for example Ba 3 (CaNB 2 ) O 9 7.7. 수용체(M=Gd, Y)-도우프된 BaCeO3즉, (Ba1-xMx)(Ce1-yMy)O3-δ Receptor (M = Gd, Y) -doped BaCeO 3 ie (Ba 1-x M x ) (Ce 1-y M y ) O 3-δ 8.8. BaCe1-xCaxO3-δ BaCe 1-x Ca x O 3-δ 9.9. 피로클로르-형 구조 산화물 세라믹A2Zr2-xYxO7-δ(A=La, Nd, Gd, Sm)Y2Ti2-xMxO7-δ(M=In, Mg)Pyrochlor-type structure oxide ceramic A 2 Zr 2-x Y x O 7-δ (A = La, Nd, Gd, Sm) Y 2 Ti 2-x M x O 7-δ (M = In, Mg) 10.10. 수소 첨가 이트륨-바륨 쿠프레이트(cuprate)HxBa2YCu3Oy', 여기서, x=2m+h, y=6.5+m+d; m=0,1,2; h>0; d<1Hydrogenated yttrium-barium cuprate H x Ba 2 YCu 3 O y ' , wherein x = 2m + h, y = 6.5 + m + d; m = 0,1,2; h>0; d <1 11.11. KTaO3-기재 산화물 및 Y2O3세라믹KTaO 3 -based oxides and Y 2 O 3 ceramics

본 발명의 방법은 도 1의 시스템(50)의 개략도에 의해 설명될 수 있으며, 합성 가스 및 수소 가스 생성용 이온 수송 기술을 사용하기 위한 공정법이 제공된다. 산소 함유 가스 스트림(1)(바람직하게는 공기)은 송풍기를 이용하여 낮은 압력으로 압축된 후, 열 교환기(3)중의 산소 감손된 보유 스트림(8)에 반하여 가열되며, 그 후, 임의적으로 가열되고 압축된 산소 함유 가스 스트림(5)으로서 방출하기 위해서 히터(4)를 경유하여 산소 반응기(6)로 이동된다. 한 구체예에서, 스트림(8)은 폐기물로서 배출되고, 또 다른 구체예에서는 질소 생성 스트림으로서 이용된다. 가스 스트림(5)은 산소 이온 수송막 반응기(6)의 제 1 구역으로 공급되며, 상기 반응기는 산소 이온 수송막(7)에 의해 제 1 구역(40) 및 제 2 구역(41)로 분할되어 있다. 본 원에 이용된 바와 같이, 제 1 구역(40)은 산소 함유 가스(5)가 공급되는 곳이며, 음극 또는 보유 사이드로서 언급된다. 통상적으로, 제 1 구역(40)에서의 압력은 1 내지 40 atm, 바람직하게는 1 내지 10atm이다. 반응기(6)에서, 제 1 구역(40)의 산소 kadb 가스 스트림(5)의 산소는 제거되고, 배출 스트림(8)은 산소 감손된 스트림이다. 막의 산소 이온 전도성은 통상적으로 0.01 내지 100S/㎝이며, 여기서 S는 1/ohm이다. 산소는 막(7)을 통하여 투과 또는 양극 족으로 언급되는 제 2 구역(41)으로 수송되며, 상기 제 2 구역은 유기 연료(10)을 함유한 가스 혼합물(9)을 이용하여 반응적으로 정제되었다. 만약 액체형 탄소질 연료가 수소 생성에 이용된다면, 이들은 반응기 내로 들어가거나 증발되기 전에 증발되어야 한다. 제 2 구역(42)에서의 압력은 통상적으로 1 내지 100atm, 바람직하게는 1 내지 40atm이다. 한 구체예에서 유기 연료는 탄소질 연료이고, 바람직하게는 메탄 또는 깨끗한 연소 천연 가스이며, 이들은 임의적으로 압축기(11)에 의해 가압되고, 바람직하게는 히터(12)에 의해 추가로 가열되며, 스팀 또는 분무화된 물(13), 및 수소 수송막 분리기(16)로부터의 재순환 투과 스트림(14)와 혼합된다.The method of the present invention can be illustrated by the schematic diagram of the system 50 of FIG. 1, and a process method for using ion transport techniques for syngas and hydrogen gas generation is provided. The oxygen containing gas stream 1 (preferably air) is compressed to low pressure using a blower and then heated against the oxygen depleted retention stream 8 in the heat exchanger 3 and then optionally heated. And is passed to the oxygen reactor 6 via the heater 4 to discharge it as a compressed oxygen containing gas stream 5. In one embodiment, stream 8 is discharged as waste and in another embodiment it is used as a nitrogen generating stream. The gas stream 5 is fed to a first zone of the oxygen ion transport membrane reactor 6, which is divided into a first zone 40 and a second zone 41 by an oxygen ion transport membrane 7. have. As used herein, the first zone 40 is where the oxygen containing gas 5 is supplied, referred to as the cathode or the holding side. Typically, the pressure in the first zone 40 is 1 to 40 atm, preferably 1 to 10 atm. In the reactor 6, the oxygen of the oxygen kadb gas stream 5 in the first zone 40 is removed and the outlet stream 8 is an oxygen depleted stream. Oxygen ion conductivity of the membrane is typically 0.01 to 100 S / cm, where S is 1 / ohm. Oxygen is transported through the membrane 7 to a second zone 41, referred to as permeate or anode group, which is reactively purified using a gas mixture 9 containing organic fuel 10. It became. If liquid carbonaceous fuels are used to produce hydrogen, they must be evaporated before entering the reactor or evaporating. The pressure in the second zone 42 is usually 1 to 100 atm, preferably 1 to 40 atm. In one embodiment the organic fuel is a carbonaceous fuel, preferably methane or clean combustion natural gas, which are optionally pressurized by the compressor 11, preferably further heated by the heater 12, and steam Or atomized water 13 and recycle permeate stream 14 from hydrogen transport membrane separator 16.

수소 투과 가능 막이 수소 분리를 수행하기 위해 본 발명에 이용되었지만, 당업자에 공지된 다른 분리기 예를 들어, 압력 스윙 흡착, 온도 스윙 흡착, 저온성 가스 분리기, 가스 분리용 중합체적 막을 또한 적용시킬 수 있다.While hydrogen permeable membranes have been used in the present invention to effect hydrogen separation, other separators known to those skilled in the art, such as pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, low temperature gas separators, polymeric membranes for gas separation, may also be applied. .

연료 스트림에 첨가된 스팀 또는 분무화된 물은 스팀 재형성 작용을 촉진시키고, 합성 가스(15)중의 수소 농도를 증가시킨다. 그 이유는 스팀 재형성이 일반적으로 부분 산화 공정보다 아주 많은 양의 수소를 생성하기 때문이다. 예를 들어, 만약 메탄이 연료로서 이용된다면, 스팀 재형성은 부분 산화 공정에서의 수소보다 50% 더 많이 제공한다.Steam or atomized water added to the fuel stream promotes steam reforming action and increases the hydrogen concentration in the synthesis gas 15. This is because steam reforming generally produces much higher amounts of hydrogen than partial oxidation processes. For example, if methane is used as fuel, steam reforming provides 50% more than hydrogen in a partial oxidation process.

수소 연료의 부분 산화 작용이 발열 반응인데 반하여, 스팀 재형성 작용은 일반적으로 흡열 반응이다. 시스템의 열 요구 및 열 전달 특성에 의존하여, 부분 산화와 스팀 재형성 반응중 하나 또는 둘 모두는 적합한 촉매를 이용하여 수행될 수 있다. 그 결과, 부분 산화 및 스팀 재형성 작용 둘 모두의 이용은 에너지 중성 이온 수송 시스템 달성을 촉진시키며, 여기서 부분 산화 작용의 발열 성질은 스팀 재형성 작용에 대해 효과적으로 에너지를 제공한다. 이것은 또한 열의 자가 지속 작용 달성을 촉진시킨다. 초기에 논의된 바와 같이, 반응 온도는 산소 함유 가스의 비교적 많은 양(일반적으로 공기)의 형태로 열 싱크에 의해 추가로 억제된다.While the partial oxidation of hydrogen fuel is an exothermic reaction, the steam reforming action is generally an endothermic reaction. Depending on the heat requirements and heat transfer properties of the system, one or both of partial oxidation and steam reforming reactions can be carried out using suitable catalysts. As a result, the use of both partial oxidation and steam reforming action facilitates the achievement of an energy neutral ion transport system, where the exothermic nature of the partial oxidation action provides energy effectively for the steam reforming action. This also promotes the achievement of self-sustaining action of heat. As discussed earlier, the reaction temperature is further suppressed by the heat sink in the form of a relatively large amount of oxygen containing gas (generally air).

이온 수송막 작용의 통상적 온도에서, 산소 소모 가스 스트림중의 산소 분압은 낮다. 산소 수송이 막의 반대쪽에서의 산소 활성의 상이함에 의해 유도되기 때문에, 산소 함유 가스의 압력이 비교적 낮을 경우에도 낮은 분압은 산소 이온 수송막을 통한 산소 수송을 빠르게 촉진한다. 반응기의 이러한 면은 산소가 낮은 전력 요건으로 수송될 수 있게 해준다.At typical temperatures of ion transport membrane action, the partial pressure of oxygen in the oxygen consuming gas stream is low. Since oxygen transport is induced by the difference in oxygen activity on the opposite side of the membrane, even when the pressure of the oxygen containing gas is relatively low, the low partial pressure quickly promotes oxygen transport through the oxygen ion transport membrane. This side of the reactor allows oxygen to be transported with low power requirements.

산소의 분압은 산소 수송막을 통해 산소 유동을 강화시키기 위해 증가될 수 있다. 예를 들어, 만약 공기가 산소 함유 공급 가스로 이용되고, 질소는 고압에서 필요해서 가압한다면, 공기는 이로울 수 있다. 이와 유사하게, 만약 질소가 증가된 압력에서의 생성물로서 필요하지 않은데, 압축한다면, 공기는 바람직하지 않을 수 있다. 보유 스트림은 압축의 일부 작용을 극복하기 위해 확장될 수 있거나, 전력을 생성하기 위해 가스 터빈에서 연소될 수 있다. 만약 전력 생성이 바람직하다면, 산소 함유 가스(일반적으로 공기)는 통상적 가스 터빈 입구 압력(100 내지 250psi)으로 가압되어야 한다. 또한, 만약 질소가 생성물로서 필요하지 않다면, 산소 함유 가스(일반적으로 공기)를 단지 반응기에서의 압력 손실의 변화를 상쇄하는 데 필요한 압력으로 압축하는 것이 이로울 수 있다.The partial pressure of oxygen can be increased to enhance oxygen flow through the oxygen transport membrane. For example, if air is used as the oxygen containing feed gas and nitrogen is required and pressurized at high pressure, air may be beneficial. Similarly, if nitrogen is not needed as the product at increased pressure, but compressed, air may be undesirable. Retention streams may be expanded to overcome some of the effects of compression or may be combusted in gas turbines to generate power. If power generation is desired, the oxygen containing gas (typically air) should be pressurized to a typical gas turbine inlet pressure (100-250 psi). In addition, if nitrogen is not needed as the product, it may be advantageous to compress the oxygen containing gas (generally air) to the pressure necessary only to offset the change in pressure loss in the reactor.

산소 이온 수송막 반응기의 통상적인 작업 조건하에, 연료 가스는 부분 산화 반응을 겪어서, 합성 가스(수소 및 일산화탄소), 이산화탄소, 물, 및 고급 탄화수소와 같은 다른 적은 성분을 포함하는 다양한 다른 성분을 생성한다. 촉매는 반응기의 제 2 구역에서 이용되어, 원하는 부분 산화 및 스팀 재형성 반응을 강화시킬 수 있다.Under ordinary operating conditions of an oxygen ion transport membrane reactor, the fuel gas undergoes a partial oxidation reaction to produce a variety of other components including synthesis gas (hydrogen and carbon monoxide), carbon dioxide, water, and other small components such as higher hydrocarbons. . The catalyst can be used in the second zone of the reactor to enhance the desired partial oxidation and steam reforming reactions.

부분 산화/스팀 재형성 반응을 촉진하기 위한 외부 촉매는 수송막, 고정층, 유동층, 촉매 막대 또는 튜브에 증착시키기를 포함한 많은 방법으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 부분 산화 촉매는 산소 이온 수송막의 표면상에 배치되고, 스팀 재형성 촉매는 고정층 형태에 배치될 수도 있을 것이다. 부분 산화 및 스팀 재형성 반응에는 상이한 촉매가 필요할 수 있으며, 반응의 정도는 당업자에 의해 평가된 적당한 비율로 각각의 촉매를 혼합함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 부분 산화 및 스팀 재형성 촉매(예를 들어, 니오(Nio) 기재 촉매)의 적층은 합성 가스중의 일산화탄소/수소 비를 조정하는 데 이용될 수 있다. 정제 기체상중의 스팀 및 CO2의 농도는 합성 가스중의 일산화탄소/수소 비를 조정하는 데 이용될 수 있다.External catalysts to promote partial oxidation / steam reforming reactions can be disposed in a number of ways, including depositing on transport membranes, fixed beds, fluidized beds, catalyst rods, or tubes. For example, the partial oxidation catalyst may be disposed on the surface of the oxygen ion transport membrane and the steam reforming catalyst may be disposed in the form of a fixed bed. Partial oxidation and steam reforming reactions may require different catalysts, and the extent of the reaction may be adjusted by mixing the respective catalysts in appropriate proportions as assessed by those skilled in the art. For example, stacking of partial oxidation and steam reforming catalysts (eg, Nio based catalysts) can be used to adjust the carbon monoxide / hydrogen ratio in the synthesis gas. The concentrations of steam and CO 2 in the purified gas phase can be used to adjust the carbon monoxide / hydrogen ratio in the synthesis gas.

도 1에 있어서, 합성 가스(15)는 반응기(6)중 제 2 구역(41)에서의 연료의 부분 산화 반응을 통하여 산소 반응기(6)으로부터 배출된다. 임의적으로, 합성 가스(15)는 제거되거나 회수될 수 있다. 그 후, 합성 가스(15)의 스트림은 제 2 다운스트림 수소 막 분리기로 공급될 수 있다. 만약 수소 수송막의 작동 온도가 산소 이온 전도막의 작동 온도보다 낮으면, 합성 가스 스트림의 온도를 조정하는 것이 필요할 수 있다.In FIG. 1, syngas 15 is withdrawn from oxygen reactor 6 via a partial oxidation reaction of fuel in second zone 41 of reactor 6. Optionally, syngas 15 may be removed or recovered. The stream of syngas 15 can then be fed to a second downstream hydrogen membrane separator. If the operating temperature of the hydrogen transport membrane is lower than the operating temperature of the oxygen ion conducting membrane, it may be necessary to adjust the temperature of the synthesis gas stream.

산소 이온 막 반응기(6)에서와 같이, 수소 분리기(16)는 또한 수소 보유 쪽 또는 음극 측으로 언급되는 제 3 구역(42) 및 수소 투과 쪽 또는 양극 측으로 언급되는 제 4 구역(43)으로 또한 분리된다. 제 3 구역(42) 및 제 4 구역(43)은 하나 이상의 수소 수송막(30)에 의해 분리된다.As in the oxygen ion membrane reactor 6, the hydrogen separator 16 also separates into a third zone 42, also referred to as the hydrogen retention side or cathode side, and a fourth zone 43, referred to as the hydrogen permeation side or anode side. do. The third zone 42 and the fourth zone 43 are separated by one or more hydrogen transport membranes 30.

수소 가스는 수소 분리기(16)의 하나 이상의 수소 수송막(30)을 통하여 투과된다. 분리기(16)에서 제 4 구역(43)으로부터 배출되는 생성 수소 가스 스트림(17)은 열 교환기(3)로 들어가서, 업스트림 산소 함유 가스 스트림(1)으로 열을 전달할 수 있다.Hydrogen gas is permeated through one or more hydrogen transport membranes 30 of the hydrogen separator 16. The product hydrogen gas stream 17 exiting the fourth zone 43 in the separator 16 may enter the heat exchanger 3 and transfer heat to the upstream oxygen containing gas stream 1.

합성 가스의 고압이 수소 수송막을 사이에 두고 필요한 상이한 수소 분압을 지탱하기 위해 유지되는 것은 중요하다. 상기 구체예에서, 압축기(11)는 연료 가스를 압축하여, 제 2 구역(41)에서의 반응을 위한 바람직한 조건 및 효과적인 산소 수송 다운스트림을 위한 제 2 구역(41)에서의 필요한 수소 분압을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 약 10 내지 50atm의 압력이 제공된다.It is important that the high pressure of the synthesis gas be maintained to support the different hydrogen partial pressures required, with the hydrogen transport membrane in between. In this embodiment, the compressor 11 compresses the fuel gas to provide the desired conditions for the reaction in the second zone 41 and the required hydrogen partial pressure in the second zone 41 for effective oxygen transport downstream. can do. Preferably, a pressure of about 10 to 50 atm is provided.

바람직하게는, 제 3 구역으로부터 배출되는 일산화탄소 풍부 스트림(18)은 열 교환기(3)에서의 산소 함유 가스 스트림(1)을 가열하는 데 이용된다. 보유 스트림(18)으로부터의 수소의 추가적 회수는 일산화탄소 풍부 스트림(21)이 통과하는 또 다른 회수기(19)에서 달성될 수 있다. 이렇게 해서, 분리기는 수소 가스 스트림(17)에 첨가하기 위한 수소 스트림(20)을 제공한다.Preferably, the carbon monoxide rich stream 18 exiting the third zone is used to heat the oxygen containing gas stream 1 in the heat exchanger 3. Further recovery of hydrogen from the retention stream 18 can be achieved in another recoverer 19 through which the carbon monoxide rich stream 21 passes. In this way, the separator provides a hydrogen stream 20 for addition to the hydrogen gas stream 17.

분리기(19)에서의 이러한 다운스트림 수소 회수 공정은 예를 들어, 압력 스위 흡착, 열 스윙 흡착, 중합체적 막과 같은 당해분야에 공지된 통상적인 방법하에서의 낮은 온도 또는 팔라듐 또는 팔라듐 합금을 기초로 하는 수소 수송막 또는 전해질 또는 압력 유도 양성 전도체 막과 같은 고체 수소 수송막을 이용한 증가된 온도하에서 수행될 수 있다. 만약 양성 전도 막이 수소 분리를 위해 이용된다면, 전극 및 외부 회로가 전기로 유도된 작용에 필요하다는 것을 주목해야 한다. 만약 수소 수송막이 충분한 전자 전도성을 갖는다면, 압력 유도 수소 분리는 동일계에서 수행될 수 있다. 다운스트림 수소 분리 작용의 선택은 수소 및 일산화탄소 가스가 필요한 압력 및 순도에 의존한다. 예를 들어, 중합체적 막을 이용한 방법은 낮은 압력에서 약간 불순물이 섞인 수소 스트림(90 내지 96%)을 제공하고, 높은 압력에서는 비교적 순수한 일산화탄소를 제공할 것이며, 이에 반해, 고온 합성 가스 혼합물의 압력 스윙 흡착 분리법은 고압에서 더 순수한 수소 스트림(96 내지 99.9%)을 제공하고, 낮은 압력에서 불순물이 섞인 일산화탄소를 제공할 것이다. 팔라듐을 기초로 한 수소 수송막 또는 양성 전도 막은 수소 수송을 위한 이들의 무한한 선택성인 장점에 의해 아주 높은 순도의 H2스트림을 생성하게 한다.This downstream hydrogen recovery process in separator 19 is based on low temperature or palladium or palladium alloys under conventional methods known in the art, such as, for example, pressure switch adsorption, thermal swing adsorption, polymeric membranes. It may be carried out under increased temperature using a solid hydrogen transport membrane such as a hydrogen transport membrane or an electrolyte or a pressure induced positive conductor membrane. It should be noted that if a positive conducting membrane is used for hydrogen separation, the electrode and external circuitry are needed for the electrically induced action. If the hydrogen transport membrane has sufficient electron conductivity, pressure induced hydrogen separation can be performed in situ. The choice of downstream hydrogen separation action depends on the pressure and purity required for hydrogen and carbon monoxide gas. For example, methods using polymeric membranes will provide a slightly impurity hydrogen stream (90-96%) at low pressures and relatively pure carbon monoxide at high pressures, whereas pressure swings of hot syngas mixtures Adsorptive separation will provide a purer hydrogen stream (96 to 99.9%) at high pressures and impurity mixed carbon monoxide at low pressures. Palladium-based hydrogen transport membranes or positive conduction membranes allow the production of very high purity H 2 streams due to their infinite selectivity for hydrogen transport.

일산화탄소 풍부 스트림중의 수소 농도는 예를 들어 수소 수송막을 사이에 두고 상이한 수소 분압의 변화에 의해 많은 작용 변수를 이용하여 조절될 수 있다. 이와 유사하게, 수소 수송막과 관련된 다양한 변수는 예를 들어, 막의 두께 및 영역을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.The hydrogen concentration in the carbon monoxide-rich stream can be adjusted using many operating parameters, for example, by varying the hydrogen partial pressure across the hydrogen transport membrane. Similarly, various parameters associated with the hydrogen transport membrane can be adjusted, for example, by varying the thickness and area of the membrane.

일산화탄소 풍부 스트림(21)로부터의 일산화탄소는 풍부하게된 일산화탄소 스트림(23)을 생성하는 반응기(22)로부터 회수될 수 있다. 잔존하는 폐물 일산화탄소 스트림(14)은 임의적으로 폐물 스트림(24)으로 폐기되거나 스트림 유기 연료 스트림(10)과 혼합되어 산소 이온 수송 반응기(6)로 재순환된다.Carbon monoxide from the carbon monoxide rich stream 21 may be recovered from the reactor 22 which produces the enriched carbon monoxide stream 23. The remaining waste carbon monoxide stream 14 is optionally disposed of as waste stream 24 or mixed with the stream organic fuel stream 10 and recycled to the oxygen ion transport reactor 6.

만약 생성물로서 일산화탄소를 원하지 않는다면, 상기 공정의 다양한 단계에서 열 투입을 제공하기 위한 연료로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 폐물 열 보일러는 상기 공정에 필요한 스팀을 생성하는 데 이용될 수 있다.If carbon monoxide is not desired as a product, it can be used as fuel to provide heat input at various stages of the process. For example, a waste heat boiler can be used to generate the steam needed for the process.

또한, 만약 생성물로서 일산화탄소를 원하지 않는다면, 물-가스 변화 반응을 수행함으로써 수소 수득율을 증가할 뿐만 아니라 이산화탄소로 전환될 수 있다. 임의적으로, 일산화탄소는 또한 연소되어, 시스템의 다양한 시점에 필요한 열을 제공할 수 있다. 일산화탄소는 또한 전력을 생성하기 위한 본 시스템과 통합된 카스 터빈에서 연소될 수 있다.In addition, if carbon monoxide is not desired as a product, it can be converted to carbon dioxide as well as increasing hydrogen yield by carrying out a water-gas shift reaction. Optionally, carbon monoxide can also be burned to provide the heat needed at various points in the system. Carbon monoxide can also be combusted in a casing turbine integrated with the present system for generating power.

본 발명의 또 다른 구체예는 도 2에 도시된 시스템(250)이다. 본 구체예에서, 산소 이온 수송막 반응기는 단일 유닛에서 수소 분리기와 결합되어 있다. 본 시스템은 반응기에서 향상된 균일 조건을 제공하는 동일 막에서 산소 분리, 합성 가스 생성 및 수소 분리를 할 수 있다.Another embodiment of the present invention is the system 250 shown in FIG. In this embodiment, the oxygen ion transport membrane reactor is combined with the hydrogen separator in a single unit. The system is capable of oxygen separation, syngas production and hydrogen separation in the same membrane providing improved homogeneous conditions in the reactor.

산소 함유 가스 스트림(바람직하게는 공기)(201)은 송풍기(202)를 이용하여 고압에서 압축시킨 후, 폐기물(또는 질소 생성물) 스트림(208)을 열 교환기(203)에서 가열시키키고, 가열되고 압축된 산소 함유 가스 스트림(205)을 배출하는 임의적 히터(204)로 보낸다. 가스 스트림(205)을 산소 이온 수송막 반응기(206)의 제 1 구역(204)으로 공급하며, 상기 반응기는 산소 이온 수송막(207)에 의해 제 1 구역(240) 및 제 2 구역(241)으로 분리되어 있다. 본 원에서 사용된 바와 같이, 제 1 구역은 산소 함유 가스(205)가 공급되는 곳이며, 선택적으로 산소 음극 또는 산소 보유 쪽으로 언급된다. 반응기(206)에서, 제 1 구역(240)중의 산소 함유 가스의 부분은 제거되고, 배출 스트림(208)은 질소 풍부 스트림이다. 산소는 막(207)을 통해 제 2 구역(241)으로 수송되며, 상기 2 구역은 임의적으로 투과 쪽 또는 양극 측으로 업급되며, 여기서 유기 연료(210)을 함유하는 가스 혼합물(209)을 이용하여 정제된다.Oxygen containing gas stream (preferably air) 201 is compressed at high pressure using blower 202 and then heated waste (or nitrogen product) stream 208 in heat exchanger 203 and heated The compressed oxygen containing gas stream 205 is sent to an optional heater 204 which exits. A gas stream 205 is supplied to the first zone 204 of the oxygen ion transport membrane reactor 206, which is connected to the first zone 240 and the second zone 241 by the oxygen ion transport membrane 207. Separated by. As used herein, the first zone is where the oxygen containing gas 205 is supplied, optionally referred to as an oxygen cathode or an oxygen retaining side. In the reactor 206, a portion of the oxygen containing gas in the first zone 240 is removed and the outlet stream 208 is a nitrogen rich stream. Oxygen is transported through the membrane 207 to the second zone 241, which is optionally upgraded to the permeate side or to the anode side, where it is purified using a gas mixture 209 containing organic fuel 210. do.

이온 수송막 반응기중의 통상적 작업 조건하에, 연료 가스는 부분 산화를 일으켜서, 합성 가스, 및 이산화탄소, 물 및 다른 탄화수소를 포함하는 다양한 다른 성분을 생성한다. 촉매는 반응기(206)의 제 2 구역(241)으로 혼합될 수 있다.Under ordinary operating conditions in ion transport membrane reactors, the fuel gas produces partial oxidation to produce synthesis gas and various other components including carbon dioxide, water and other hydrocarbons. The catalyst may be mixed into the second zone 241 of the reactor 206.

정제 가스(209)는 탄소질 연료이고, 바람직하게는 메탄 또는 천연 가스이다. 정제 가스(209)는 바람직하게는 압축기(211)에서 압축되며, 추가로 임의적으로 히터(212)에서 가열되수 있으며, 스팀 또는 분무화된 물(213)과 혼합되고, 감손된 합성 가스 스트림(214)을 재순환시킨다.Purification gas 209 is a carbonaceous fuel, preferably methane or natural gas. Purified gas 209 is preferably compressed in compressor 211, and may optionally be further heated in heater 212, mixed with steam or atomized water 213, and depleted syngas stream 214. Recycle).

이온 수송막 작동의 통상적 온도에서, 정제 가스 스트림중의 산소 분압은 낮으며, 통상적으로 산소 이온 수송막을 통해 빠른 산소 수송을 용이하게하고, 산소 함유 가스 스트림의 낮은 압력을 허용하는 10-10atm미만이다. 반응기의 이러한 측면은 산소가 낮은 전력 요건으로도 수송될 수 있게 해준다.At typical temperatures of ion transport membrane operation, the oxygen partial pressure in the purge gas stream is low, typically less than 10 -10 atm, which facilitates rapid oxygen transport through the oxygen ion transport membrane and permits low pressure in the oxygen containing gas stream. to be. This aspect of the reactor allows oxygen to be transported even with low power requirements.

반응기(206)는 또한 수소 수송막(225)을 특징으로 하며, 상기 반응기에는 막(225)을 통한 수소 수송이 제 3 구역(242)으로 고순도의 수소 투과물을 배출로서 일어나며, 상기 제 3 구역은 임의적으로 수소 투과 또는 양극 측으로 언급될 수 있다. 수소의 제거는 수소의 수득률을 증가시키기에 알맞은 제 2 구역(241)의 균일 조건을 변화시킨다.Reactor 206 also features a hydrogen transport membrane 225 in which hydrogen transport through the membrane 225 takes place as a discharge of high purity hydrogen permeate to the third zone 242, the third zone. May optionally be referred to as hydrogen permeation or anode side. Removal of hydrogen changes the uniform conditions of the second zone 241 which are suitable for increasing the yield of hydrogen.

제 2 구역(241)에서 연료(210)의 부분 산화 반응을 통한 반응기(206)로부터의 배출물은 일산화탄소 풍부 스트림(218)이며, 이는 제거되고 회수될 수 있다. 스트림(218)은 열 교환기(203)중의 산소 함유 가스 스트림(201)에 대한 열을 제공하는 데 이용될 수 있다. 또한, 수소 회수물은 일산화탄소 풍부 스트림(221)을 배출시키고, 수소 스트림(220)이 분리된 분리기(219)를 통하여 통과하는 스트림(218)을 제공한다. 순수하거나 거의 순수한 일산화탄소(223)로서의 일산화탄소 스트림(221)의 회수는 일산화탄소 분리 유닛(222)에서 발생한다. 감손된 폐기물 스트림(214)은 일산화탄소 분리 유닛(222)으로부터 배출되며, 임의적으로 폐기물 스트림(224)으로서 배출된다.Emission from reactor 206 via partial oxidation of fuel 210 in second zone 241 is carbon monoxide rich stream 218, which may be removed and recovered. Stream 218 may be used to provide heat for the oxygen containing gas stream 201 in heat exchanger 203. The hydrogen recovery also exhausts the carbon monoxide rich stream 221 and provides a stream 218 where the hydrogen stream 220 passes through the separated separator 219. Recovery of the carbon monoxide stream 221 as pure or nearly pure carbon monoxide 223 occurs in the carbon monoxide separation unit 222. The depleted waste stream 214 exits the carbon monoxide separation unit 222 and optionally exits as waste stream 224.

반응기(206)의 제 3 구역(242)으로부터 배출되는 수소 풍부 스트림(217)은 열 교환기(203)을 통하여 통과한다. 개별적으로, 분리기(219)에서 이산화탄소 풍부 스트림(218)으로부터 분리된 수소 풍부 스트림(220)은 수소 풍부 스트림(217)과 결합하여 수소 풍부 스트림(229)를 형성한다.Hydrogen rich stream 217 exiting third zone 242 of reactor 206 passes through heat exchanger 203. Individually, hydrogen rich stream 220 separated from carbon dioxide rich stream 218 in separator 219 combines with hydrogen rich stream 217 to form hydrogen rich stream 229.

도 2의 구체예에 의해 제공된 시스템은 또한 합성 가스의 더 많은 생성물을 조장한다. 수소가 동일계에서 분리되기 때문에, 수소의 분압은 부분 산소 반응에서 감소된다. 결과적으로, 르샤틀리에 원리는 부분 산화/스팀 재형성 반응을 생성물 쪽으로 더욱 변화시킴으로써 정연한 합성 가스 형성을 지지한다. 증가된 압력하에 제 2 구역으로의 유기 연료의 주입에 의해, 수소가 충분히 고압하에 생성되어, 이들을 수소 수송막을 통과하도록 유도한다. 대안적으로, 수순한 가스는 독립적인 산소 및 수소 분리기를 사용한 구체예에서 효과적인 수소 분리에 이용될 수 있다. 예를 들어, 스팀은 수소 분리기에서 순수한 가스로서 이용될 수 있는데, 그 이유는 스팀이 축합에 의해 수소로부터 쉽게 분리될 수 있기 때문이다.The system provided by the embodiment of FIG. 2 also encourages more product of the synthesis gas. Since hydrogen is separated in situ, the partial pressure of hydrogen is reduced in the partial oxygen reaction. As a result, the LeChatlier principle supports square syngas formation by further changing the partial oxidation / steam reforming reaction towards the product. By injection of the organic fuel into the second zone under increased pressure, hydrogen is produced under sufficiently high pressure to drive them through the hydrogen transport membrane. Alternatively, the pure gas may be used for effective hydrogen separation in embodiments using independent oxygen and hydrogen separators. For example, steam can be used as a pure gas in a hydrogen separator because steam can be easily separated from hydrogen by condensation.

만약 반응기에서의 전환이 불완전하다면, 정제 스트림은 비처리된 연료를 함유할 것이며, 스트림의 적어도 일부는 반응기로 재순환될 수 있으며, 바람직하게는 수소 및 일산화탄소가 제거된 후에도 재순환될 수 있다.If the conversion in the reactor is incomplete, the purified stream will contain untreated fuel and at least a portion of the stream may be recycled to the reactor, preferably after hydrogen and carbon monoxide have been removed.

상기에 설명된바와 같은 도 1의 구체예의 다양한 다른 측면 또한 도 2의 구체예에 적용될 수 있으며, 당업자에 의해 평가될 것이다. 열 교환기(3 또는 203)에서의 열 교환과 같은 다양한 작용은 타이틀이 셀릭(SELIC) 반응기 설계인 미국 특허 출원 번호 제 호에 기재된 바와 같이 반응기(6 또는 206)으로 통합될 수 있으며, 상기 문헌은 본원에 참고문헌으로 인용되었다.Various other aspects of the embodiment of FIG. 1 as described above may also be applied to the embodiment of FIG. 2 and will be appreciated by those skilled in the art. Various actions, such as heat exchange in heat exchanger 3 or 203, have been described in US Patent Application No. It may be incorporated into the reactor 6 or 206 as described in the foregoing, which is incorporated herein by reference.

본 발명은 본 발명으로부터 추가로 유도된 생성물을 이용하여 확장될 수 있음이 예상된다. 예를 들어, 본 발명으로부터 생성된 분리 수소 풍부 및 질수 풍부 스트림은 암모니아의 생성에도 이용될 수 있다. 첨가적으로, 본 발명에 의해 생성된 것으로서의 합성 가스는 연료 요소로 이용될 수 있으며, 메탄올, 아세트산, 디메틸 에테르, 아세토니트릴 및 포름알데히드와 같은 화학약품의 생성을 위한 가치있는 상업적 생산물이다. 따라서, 합성 가스 생성 과정은 다운스트림 작용, 임의적으로 수소/일산화탄소 비의 조정과 통합될 수 있다.It is anticipated that the present invention may be extended with products further derived from the present invention. For example, the separated hydrogen rich and cant rich streams generated from the present invention can also be used to produce ammonia. In addition, syngas as produced by the present invention can be used as a fuel element and is a valuable commercial product for the production of chemicals such as methanol, acetic acid, dimethyl ether, acetonitrile and formaldehyde. Thus, the synthesis gas production process can be integrated with downstream action, optionally with adjustment of the hydrogen / carbon monoxide ratio.

본 발명의 특이적 특성은 단지 편의의 위해 하나 이상의 도면으로 도시하였으며, 각각의 특성은 본 발명에 따른 다른 특성과 연합된다. 대안적인 구체예는 당업자에 의해 인지될 것이며, 본 발명의 청구범위 내에 포함된다.Specific features of the invention are shown in one or more figures for convenience only, each of which is associated with another feature according to the invention. Alternative embodiments will be recognized by those skilled in the art and are included within the claims of the present invention.

이상에서와 같이, 본 발명에 따라 팔라듐 또는 팔라듐 합금을 기초로 한 수소 수송막과 같은 수소 수송막 또는 양성 수송막을 이용하여 산소 이온 수송을 기초로 하는 합성 가스 생성과 수소 분리를 통합시켰다. 따라서, 상기에서 언급된 종래 기술의 문제점들을 해결하였다.As described above, according to the present invention, hydrogen separation or hydrogen separation based on oxygen ion transport was integrated using a hydrogen transport membrane or a positive transport membrane such as a hydrogen transport membrane based on palladium or a palladium alloy. Thus, the above-mentioned problems of the prior art have been solved.

Claims (10)

(a) 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송막을 포함하는 산소 반응기로 통과시키는 단계로서, 반응기는 산소 이온 수송막에 의해 분리된 제 1 구역 및 제 2 구역을 가지며, 상기 혼합물로부터의 산소의 적어도 일부를 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송하여, 제 2 구역으로부터 제 1 투과 스트림을 발생시켜 기체상 유기 연료를 함유하는 정제 스트림과 반응시키면서, 제 1 구역으로부터 산소 감손된 보유 스트림을 생성시키는 단계;(a) passing the compressed and heated oxygen containing gas mixture into an oxygen reactor comprising at least one solid electrolyte oxygen ion transport membrane, the reactor having a first zone and a second zone separated by an oxygen ion transport membrane, At least a portion of the oxygen from the mixture is transported from the first zone to the second zone through an oxygen ion transport membrane, generating a first permeate stream from the second zone and reacting with the purification stream containing the gaseous organic fuel. Producing an oxygen depleted retention stream from zone 1; (b) 정제 스트림을 제 2 구역으로 통과시켜, 수송된 산소와 반응시킴으로써 제 1 투과 스트림에서 합성 가스를 생성시키는 단계;(b) passing the refinery stream to a second zone to produce syngas in the first permeate stream by reacting with the transported oxygen; (c) 제 1 투과 스트림을 이동시켜 하나 이상의 수소 수송막과 접촉시킴으로써, 고순도의 수소 투과물 및 수소 감손된 합성 가스 보유물을 생성시키는 단계;(c) moving the first permeate stream to contact one or more hydrogen transport membranes to produce high purity hydrogen permeate and hydrogen depleted syngas retentate; (d) 수소 가스 스트림 생성물로서 고순도의 수소 투과물을 회수하는 단계를 포함하여, 수소 가스 및 합성물을 생성시키는 방법.(d) recovering the high purity hydrogen permeate as a hydrogen gas stream product. 제 1 항에 있어서, 수소 수송막을 갖는 수소 분리기 및 수소 분리기로 제 1 투과 스트림을 유도하는 도관을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 further comprising a hydrogen separator having a hydrogen transport membrane and a conduit leading the first permeate stream to the hydrogen separator. 제 1 항에 있어서, 산소 함유 가스 혼합물이 제 1 구역으로부터의 하나 이상의 산소 감손된 보유 가스, 수소 분리기로부터의 수소 감손된 합성 가스 보유물 및 수소 투과 가스와의 열교환에 의해 적어도 부분적으로 가열됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the oxygen containing gas mixture is at least partially heated by heat exchange with at least one oxygen depleted retention gas from the first zone, a hydrogen depleted syngas retentate from a hydrogen separator, and a hydrogen permeate gas. How to. 제 1 항에 있어서, 기체상 유기 연료가 스팀 또는 분무화된 물로 처리된 유기 연료로 구성됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the gaseous organic fuel consists of an organic fuel treated with steam or atomized water. (a) 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송막을 포함하는 산소 반응기로 통과시키는 단계로서, 반응기는 제 1 산소 이온 수송막에 의해 분리된 제 1 구역 및 제 2 구역을 가지며, 상기 혼합물로부터의 산소의 적어도 일부를 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송하여, 제 1 산소 투과 스트림을 공급하여 기체상 유기 연료를 함유하는 정제 스트림과 반응시키면서, 제 1 구역으로부터 산소 감손된 보유 스트림을 생성시키는 단계;(a) passing the compressed heated oxygen-containing gas mixture through an oxygen reactor comprising at least one solid electrolyte oxygen ion transport membrane, the reactor passing through a first zone and a second zone separated by a first oxygen ion transport membrane. At least a portion of the oxygen from the mixture from the first zone to the second zone via an oxygen ion transport membrane to supply a first oxygen permeate stream and react with a purification stream containing a gaseous organic fuel, Generating an oxygen depleted retention stream from the zone; (b) 정제 스트림을 제 2 구역으로 통과시켜, 수송된 산소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생성시키는 단계;(b) passing the refinery stream to a second zone to produce syngas by reacting with the transported oxygen; (c) 합성 가스의 제 1 투과 스트림을 제 2 구역으로부터 하나 이상의 고체 전해질 수소 수송막을 포함하는 수소 분리기내의 제 3 구역으로 배출하고 통과시키는 단계로서, 수소 분리기는 수소 수송막에 의해 서로 분리된 제 3 구역 및 제 4 구역을 가지며, 합성 가스의 적어도 일부는 수소 막을 통하여 제 3 구역으로부터 제 4 구역으로 수송되어, 제 4 구역에서는 수소 투과물을 발생시키고 제 3 구역에서는 수소 감손된 합성 가스를 발생시키는 단계; 및(c) withdrawing and passing a first permeate stream of syngas from a second zone to a third zone in a hydrogen separator comprising one or more solid electrolyte hydrogen transport membranes, the hydrogen separator being separated from each other by a hydrogen transport membrane; Having three zones and a fourth zone, at least a portion of the synthesis gas is transported from the third zone to the fourth zone through the hydrogen membrane, generating hydrogen permeate in the fourth zone and generating hydrogen depleted synthesis gas in the third zone. Making a step; And (d) 수소 가스 스트림 생성물로서 수소 투과물을 제 4 구역으로부터 회수하는 단계를 포함하여, 수소 가스를 생성시키는 방법.(d) recovering hydrogen permeate from the fourth zone as a hydrogen gas stream product, thereby producing hydrogen gas. 제 5 항에 있어서, 합성 가스의 스트림의 온도가 수소 분리기를 통과하기 전에 임의적으로 저하됨을 특징으로 하는 방법.6. The process of claim 5, wherein the temperature of the stream of syngas is optionally lowered before passing through the hydrogen separator. 제 5 항에 있어서, 혼합물이 제 1 구역으로부터의 하나 이상의 산소 감손된 보유물, 제 3 구역으로부터의 수소 감손된 보유 합성 가스 및 제 4 구역으로부터의 수소 투과물과의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 가열됨을 특징으로 하는 방법.The process of claim 5, wherein the mixture is at least partially by indirect heat exchange with at least one oxygen depleted retentate from the first zone, hydrogen depleted retention synthesis gas from the third zone, and hydrogen permeate from the fourth zone. Heated. (a) 압축되고 가열된 산소 함유 가스 혼합물을 하나 이상의 고체 전해질 산소 이온 수송 선택막 및 하나 이상의 고체 전해질 수소 이온 수송막을 포함하는 막 반응기로 통과시키는 단계로서, 반응기는 제 1 구역, 제 2 구역 및 제 3 구역을 가지며, 혼합물로부터의 산소의 적어도 일부를 제 1 구역으로부터 제 2 구역으로 산소 이온 수송막을 통하여 수송하여, 제 1 구역으로부터 산소 감손된 보유 스트림을 발생시키는 단계;(a) passing the compressed and heated oxygen containing gas mixture through a membrane reactor comprising at least one solid electrolyte oxygen ion transport selection membrane and at least one solid electrolyte hydrogen ion transport membrane, the reactor comprising a first zone, a second zone and Having a third zone and transporting at least a portion of the oxygen from the mixture from the first zone to the second zone through an oxygen ion transport membrane to generate an oxygen depleted retention stream from the first zone; (b) 기체상 유기 연료를 제 2 구역으로 통과시켜 수송된 산소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생성시키는 단계;(b) passing the gaseous organic fuel into the second zone to react with the transported oxygen to produce a synthesis gas; (c) 합성 가스를 이동시켜 하나 이상의 수소 수송막과 접촉시킴으로써, 제 3 구역에서 고순도의 수소 투과물을 발생시키고, 제 2 구역에서는 수소 감손된 합성 가스 보유물을 발생시키는 단계; 및(c) moving the synthesis gas into contact with the one or more hydrogen transport membranes to generate high purity hydrogen permeate in a third zone and generate a hydrogen depleted syngas retentate in a second zone; And (d) 수소 가스 스트림 생성물로서 수소 투과물을 제 3 구역으로부터 회수하는 단계를 포함하여, 수소 가스를 생성시키는 방법.(d) recovering hydrogen permeate from the third zone as a hydrogen gas stream product, thereby producing hydrogen gas. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합물이 제 1 구역으로부터의 하나 이상의 산소 보유물, 제 2 구역으로부터의 수소 감손된 합성 가스 및 제 3 구역으로부터의 수소 투과물과의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 가열됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 8, wherein the mixture is at least partially heated by indirect heat exchange with one or more oxygen reserves from the first zone, hydrogen depleted syngas from the second zone, and hydrogen permeate from the third zone. How to feature. 제 8 항에 있어서, 기체상 유기 연료가 스팀 또는 분무화된 물로 처리된 유기 연료로 구성됨을 특징으로 하는 방법.9. The method of claim 8, wherein the gaseous organic fuel consists of organic fuel treated with steam or atomized water.
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