MXPA98003331A - Diseño de reactor de conductor ionico de elctrolito solido - Google Patents

Abstract

Un reactor y proceso de transporte de iones para usar el mismo teniendo por lo menos una membrana transportadora de iones con un lado de retenido y un lado de permeado, para extraer oxígeno de una corriente de gas de alimentación conforme fluye por el lado de retenido. Una corriente de gas reactivo se hace fluir por el lado de permeado de los tubos de transporte de iones para reaccionar con el oxígeno transportado a través de ellos. Se transfiere calor a una corriente de fluido que fluye a través del reactor de transporte de iones mientras la temperatura de la membrana se mantiene dentro de su rango de operación.

Description

DISEÑO DE REACTOR DE CONDUCTOR IÓNICO DE ELECTROLITO SOLIDO CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un diseño de reactor de conductor iónico de electrolito sólido para usarse en sistemas de separación de gases. La invención se refiere también a la combinación de diseños de reactor/calentador de conductor iónico de electrolito sólido y diseños de reactor/separador de oxígeno para usarse en sistemas de separación de gases.

DERECHOS DEL GOBIERNO DE LOS E. U. Esta invencidn fue hecha con el soporte del Gobierno de los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Cooperación No. 70NANB5H1065 concedido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El Gobierno de los Estados Unidos tiene ciertos derechos en la invención.

REFERENCIA CRUZADA La solicitud titulada "Separador-Enfriador de Conductor Iónico de Electrolito Sdlido Integrado", Serie No. de E. U. (Attorney Docket No. D-20356), presentada concurrentemente con la presente, es incorporada a la presente por referencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Por muchos años los sistemas de separación de oxígeno en masa no- criogénicos, por ejemplo, sistemas de membrana de polímeros orgánicos, han sido usados para separar gases seleccionados del aire y otras mezclas de gases. El aire es una mezcla de gases que puede contener cantidades variables de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20.9%) , nitrógeno (78%) , argón (0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Sin embargo, puede hacerse un tipo de membrana enteramente diferente a partir de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito solidóse hacen de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de zirconio y análogos estabilizados con calcio o itrio que tienen una estructura de fluorita o perovskita. A temperaturas elevadas estos materiales contienen vacantes móbiles de iones oxígeno. Debido a que estos materiales solamente permiten la penetración del oxígeno, actúan como una membrana con selectividad infinita por oxígeno y son, por lo tanto, muy atractivos para usarse en nuevos procesos de separación de aire. Aunque el potencial de estos materiales cerámicos de óxidos como membranas de separación de gases es grande, hay ciertos problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los materiales cerámicos de óxidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxígeno únicamente a temperaturas elevadas. Usualmente deben ser operados muy arriba de 500° C, generalmente en el rango de 700° C-1,200° C. Esta limitación subsiste a pesar de la mucha investigación para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido se describe con más detalle en la Patente de E.U. No. 5,547,494 de Prasad et. al., titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual se incorpora en la presente por referencia para describir más completamente el estado del arte. El desarrollo de materiales conductores de electrones y iones óxido sólidos mixtos y' de doble fase ha creado oportunidades interesantes para utilizar procesos que explotan su habilidad para transportar iones oxígeno y el flujo de retorno de electrones a través de una membrana de electrolito sólido sin la necesidad de circuitos externos. El proceso de separación de electrolito sólido es impulsado por el potencial químico causado por la relación de presiones de oxígeno parciales de un gas que contiene oxígeno en el cátodo y las presiones parciales de oxígeno en un entorno reactivo en el ánodo. Hay muchos ejemplos de sistemas que utilizan este efecto. Estos incluyen la eliminación de oxígeno residual de gases inertes, tales como argón y nitrógeno (un proceso deoxo); la co-producción de oxígeno, nitrógeno, argón y dióxido de carbono en ciclos integrados de turbina de gas; sistemas para producir nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono; reactores de oxidación parcial para usarse en procesos de oxidación química tales como la generación de syngas (por ejemplo, el método de British Petroleum Electropox) ; y aplicaciones de quemador donde el hecho de que la reacción de oxidación ocurre en la superficie del elemento conductor iónico de electrolito sdlido en el ánodo excluye el nitrógeno y así, con una administración de calor apropiada, limita el aumento de la temperatura y la generación de N0?. Para ser prácticos, cualquiera de los procesos anteriores requiere reactores que puedan realizar las funciones en una manera eficiente. Esta invencidn se refiere específicamente a los principios básicos de diseño para el reactor de electrolito sdlido y combinaciones de reactor de electrolito sólido requeridos para una operación efectiva y eficiente. Puesto que en estos dispositivos el calor es producido en el lado del ánodo de la membrana transportadora de iones mediante reacción de oxidación, es importante administrar la transferencia de calor para mantener la temperatura de los elementos del conductor iónico de electrolito sdlido a una temperatura tan uniforme como sea posible. Si porciones de los elementos de conductor iónico de electrolito sólido operan a una temperatura muy baja , los efluentes de oxígeno para estas porciones son reducidos; si las porciones operan a una temperatura muy alta la vida útil de operación de estas porciones podrían ser reducidas significativamente. Además, el diseño tiene que proporcionar una transferencia de masa efectiva de oxígeno y combustible a los lados del cátodo y del ánodo respectivamente y balancear el flujo de oxígeno y la cinética de la reacción de una manera que se mantenga una presión parcial de oxígeno en la superficie del ánodo mayor que 10--1-4 a 10 atm. dependiendo de las características de estabilidad del material elemento empleado. La mayoría de los elementos conocidos tienden a deteriorarse severamente a presiones de oxígeno muy bajas debido a la pérdida de oxígeno de su estructura de retícula. Un propósito secundario de la invencidn es definir configuraciones que proporcionen soluciones viables para combinar reactores de electrolito sólido con otras funciones tales como el calentamiento de una tercera corriente de gas o separar un producto oxígeno de la corriente del lado del cátodo por medio de una segunda membrana de electrolito sólido en un solo aparato. La integración de las funciones anteriores debe ser realizada de una manera que no impida los requerimientos establecidos previamente para la administración de calor y la transferencia de masa.

Han sido presentados en la literatura técnica avances en el estado del arte de separación de aire usando conductores iónicos de electrolito sólido. Por ejemplo, Mazanec et al., Patente de E.U. No. 5,306,411, titulada "Membranas Sólidas Multi-Componentes, Componentes de Reactor Electroquímico, Reactores Electroquímicos y Uso de Membranas, Componentes de Reactor, y Reactor para Reacciones de Oxidación" se refiere a reactores electroquímicos para hacer reaccionar un gas que contiene oxígeno con un gas que consume oxígeno y describe un reactor de cubierta y tubo con el gas que contiene oxígeno fluyendo en un lado de la membrana de electrolito sólido y el gas que consume oxígeno en el otro. Mazanec et al. , sin embargo, no menciona publicaciones relacionadas a la administración de calor para mantener las superficies de la membrana a las temperaturas uniformes deseadas, dinámica de flujo para alcanzar transferencia de masa efectiva, o la necesidad para balancear la cinética de reacción con la conductividad de iones oxígeno para mantener la presión parcial de oxígeno para la estabilidad de materiales. VJestinghouse ha desarrollado celdas de combustible de óxido sólido que tienen un diseño tubular, tales como las descritas en la publicación presentada en la Conferencia de "PowerGen 1995-Americas" en Anaheim, California, en Diciembre 5-7 de 1995, por Frank P. Bvec y Walter G. Parker, "Plantas de Energía de Celdas de Combustible de Oxido Sdlido Integradas para Aplicaciones de Energía Distribuida". Esta publicación se refiere a sistemas tubulares de combustible de óxido sólido con geometrías que tienen similaridad superficial con algunas de las geometrías de la presente invencidn, pero las geometrías no están relacionadas, sin embargo, con las funciones realizadas por los reactores de electrolito sólido de la invención del momento. Bvec y Parker describen un elemento de celda de combustible de extremo cerrado en donde el aire es suministrado al lado interno del cátodo de la membrana de electrolito sólido por un tubo interno coaxial lo cual resulta en el precalentamiento del aire antes de entrar al pasaje del cátodo en donde tiene lugar la transferencia de oxígeno. Bvec y Parker, sin embargo, no mencionan publicaciones de administración de calor y dinámica de flujo. Además, el dispositivo de Westinghouse, a diferencia de la presente invención, no es un reactor para producir calor o un producto deseado en el lado del ánodo, sino una celda de combustible para producir energía eléctrica y por lo tanto no puede emplear conductores mixtos o de doble face como el electrolito-Ademas, los diseños de celdas de combustible de óxido sólido de Westinghouse (ver Fig.4) son también dispositivos de baja presión mientras que los reactores de la presente invención experimentarían típicamente presiones elevadas por lo menos en un lado de la membrana de electrolito sólido. Un módulo tubular de membrana de estado sólido se describe en la Patente de E.U. No. 5,599,383 de Dyer et al., que tiene una pluralidad de unidades tubulares de membrana, cada unidad teniendo un soporte poroso libre de canales y una capa densa de óxido conductor mixto soportada en el mismo. El soporte poroso de cada unidad está en comunicación de flujo con uno o más múltiples o conductos para descargar oxígeno que ha penetrado a través de la capa densa y el soporte poroso.

OBJETIVOS DE IA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención proveer un diseño de reactor de transporte de iones eficiente para usarse en sistemas de separación de gases. Es también un objetivo de la invención combinar los reactores de transporte de iones con calentadores para producir diseños de calentador/ reactor para usarse en sistemas de separación de gases. Otro objetivo de la invención es combinar los reactores de transporte de iones con un separador de oxígeno para producir diseños de separador/reactor de oxígeno para usarse en sistemas de separación de gases. Un objetivo adicional de la invención es incrementar la eficiencia de los diseños purgando el lado permeado de la membrana transportadora de iones con una corriente de gas reactivo. Un objetivo adicional de la invencidn es incrementar la eficiencia de los diseños optimizando la transferencia de masa y la transferencia térmica en el reactor mediante la selección de materiales, relaciones de aportes, y geometría de flujo de gases. RESUMEN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un reactor y proceso de transporte de iones para usar los mismos para hacer reaccionar una corriente de gas reactivo con oxígeno de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas. El reactor de transporte de iones incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeadc. El proceso incluye hacer fluir la corriente de gas de alimentacón sobre el lado de retenido de la membrana transportadora de iones y hacer fluir la corriente de gas reactivo sobre el lado de permeado de la membrana transportadora de iones. El calor generado de la corriente de gas reactivo que reacciona con el oxígeno que penetra a través de la membrana transportadora de iones es transferido a la corriente de gas de alimentación para calentar la corriente de gas de alimentación mientras se mantiene la temperatura de la membrana de transporte de iones dentro del rango de operación de la membrana de transporte de iones. En una modalidad preferida de la invención, el rango de operación es de aproximadamente 500 C a aproximadamente 1100 C. En otra modalidad preferida de la invención, la temperatura a lo largo de la membrana transportadora de iones es mantenida substancialmente constante a través de toda la longitud de la membrana. En aun otra modalidad preferida de la invención, las resistencias a la penetración de oxígeno y la cinética de reacción son repartidas de tal manera que la presión parcial de oxígeno en el lado permeado de la membrana es mantenida por arriba de 10 atm. En otra modalidad preferida, la membrana transportadora de iones tiene capas porosas catalizadoras agregadas a por lo menos parte del lado permeado de la membrana transportadora de iones para aumentar las reacciones químicas en la superficie. En aun otra modalidad preferida, por lo menos parte de un lado de la membrana de los tubos de transporte de iones es incrustada para aumentar la cinética de intercambio superficial. En aun otra modalidad preferida de la invención, el flujo de la corriente de gas de alimentación es canalizada por la supeficie de retenido de la membrana transportadora de iones a través de un pasaje de gas de alimentación entre la membrana transportadora de iones y un velo para minimizar la resistencia a la difusión gaseosa. En otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción del calor proveniente del calor de reacción generado por la operación del tubo de transporte de iones es transferida a una corriente fluida, tal como la corriente de gas de alimentación, que fluye a través del reactor de transporte de iones. En aun otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una de las áreas de transferencia de calor y de los coeficientes de transferencia de calor varían inversamente a la diferencia de temperatura (?T) entre la corriente de gas de alimentación y la membrana transportadora de iones. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de alimentación se divide en una primera porción de gas de alimentación la cual es alimentada al reactor y provee oxígeno para reaccionar1 con la corriente de gas reactivo, por cuyo medio es generado calor, el calor siendo entonces empleado para calentar la primera porción de gas de alimentación la cual transfi.ere calor a un módulo separador de transporte de iones que incluye una membrana separadora de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado a través del cual fluye una segunda porción de gas de alimentación y desde la cual es extraído oxígeno a lo largo del lado permeado de la misma. En aun otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de alimentación entra primero a una etapa del separador en donde es extraído oxígeno adicional, mediante transporte de iones impulsado a presión que usa una membrana separadora de transporte de iones a un lado del gas no reactivo y la corriente de gas de alimentación entra entonces al reactor de transporte de iones donde es extraído oxígeno adicional usando la membrana transportadora de iones para reaccionar con la corriente de gas reactivo para producir una corriente de gas producto de reacción la cual es usada entonces para purgar el lado permeado de la membrana separadora de transporte de iones. En una modalidad, el reactor de transporte de iones comprende por lo menos un tubo de transporte de iones que tiene una membrana capaz de transportar iones oxígeno, la membrana transportadora de iones teniendo un lado de retenido y un lado de permeado, para extraer oxígeno de la corriente de gas de alimentación coforme fluye por el lado de retenido. Durante la operación, una corriente de gas reactivo es desparramada por el lado de permeado de los tubos de transporte de iones para reaccionar con el oxígeno que penetra a través del mismo, por lo menos una porción del calor proveniente del calor de reacción generada por la operación del tubo de transporte de iones es transferida a una corriente fluida que fluye a través del reactor de transporte de iones, y por lo menos una de las áreas y de los coeficientes de transferencia de calor varían inversamente a la diferencia de temperatura entre la corriente de gas de alimentación y la membrana de transporte de iones. En una modalidad preferida de la invencidn, el reactor de transporte de iones comprende además un tubo concéntrico dentro o rodeando por lo menos una parte de cada tubo de transporte de iones para formar un pasaje anular entre ellos para dirigir el flujo de la corriente de gas de alimentación a lo largo del tubo de transporte de iones. En otra modalidad preferida, por lo menos una de las áreas de transferencia de calor y los coeficientes de transferencia de calor varían a lo largo de la longitud del pasaje del gas de alimentación en el lado de la concha en virtud de espaciamiento deflector variable para lograr una resistencia grande de transferencia de calor donde la diferencia de temperatura es grande y para lograr una resistencia pequeña a la transferencia de calor donde la diferencia de temperatura es pequeña o en virtud del espesor de aislamiento variable. En aun otra modalidad preferida de la invención, el tubo de transporte de iones está cerrado en un extremo. En aun otra modalidad preferida de la invencidn, la corriente de gas de alimentación ^luye en una dirección de flujo contra-transversal, concurrente o a contra-corriente con respecto al tubo de transporte de iones. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se le ocurrirán a aquellos expertos en el arte de la siguiente descripción de las modalidades preferidas y de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra el diseño básico de un reactor de transporte de iones de la invención que destaca un arreglo de tubo de lado a lado donde un sello deslizante de placa de tubo-a-tubo acomoda cambios imensionales térmicos y de composición en el tubo de transporte de iones; La Fig. 2 es un diagrama esquemático de otra modalidad de la invención similar a la Fig. 1 en donde los extremos de los tubos de transporte de iones están cerrados y sellados en sus partes altas por una tapa superior y se dejan que floten libremente para evitar esfuerzos y son agregados tubos internos concéntricos dentro de cada tubo de transporte de iones para ya sea suministrar o retirar gases laterales de reacción; La Fig. 3A es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención similar a la Fig. 2 en donde los lados para las corrientes de gas que contienen oxígeno y las corrientes de gas reactivo están invertidos; La Fig. 3B es un diagrama esquemático que muestra un detalle del tubo interno concéntrico y del tubo de transporte de iones de la Fig. 3A mostrando los insertos de área variable o los insertos de espiral de grado máximo variables usados para variar los coeficientes locales de transferencia de calor; La Fig. 3C es un diagrama esquemático que muestra un detalle alterno de un tubo de transporte de iones que muestra los insertos de espesor variable de aislamiento dispuestos en un tubo envolvente para variar los coeficientes locales de transferencia de calor; La Fig. 4A es un diagrama de una modalidad de la invención similar al de la Fig. 1 que optimiza la reacción heterogénea, flujo de oxígeno, y transferencia de calor; La Fig. 4B es un diagrama que muestra un detalle de la parte superior de la Fig. 4A; La Fig. 4C es un diagrama que muestra un detalle de la parte inferior de la Fig. 4A; La Fig. 5 es una gráfica que muestra los perfiles de temperatura calculados de varios elementos del reactor de la Fig. 4 como una función de la distancia desde la entrada de la alimentación; La Fig. 6 es una gráfica que muestra la alimentación calculada y los perfiles de presiones parciales de oxígeno de purga en la pared del reactor de la Fig. 4 como una función de la distancia desde la entrada de la alimentación; La Fig. 7A es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra un detalle de un reactor/calentador de transporte de iones con extremos del tubo cerrados y con libre flotación; la Fig.7B es un diagrama esquemático de una placa de tubo utilizable en el reactor/calentador de transporte de iones de la Fig. 7A; La Fig. 8A es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra un separador de oxígeno/reactor de transporte de iones con extremos del tubo cerrados y con flotación libre; y La Fig. 8B es un diagrama esquemático de una modalidad de la invencidn que muestra un separador de oxígeno/reactor de transporte de iones con un arreglo de tubo de lado a lado. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un diseño de reactor de conductor iónico de electrolito sólido para uso en sistemas de separación de gases. La invencidn se refiere también a la combinación de diseños de reactor/calentador de conductor iónico de electrolito sólido y diseños de separador de oxígeno/reactor. En contraste con el arte anterior, esta invencidn provee todos los requerimientos funcionales que deben satisfacer los reactores de electrolito sólido para ser factibles y prácticos y describe como puede ser combinada ventajosamente la función del reactor con otras operaciones. Específicamente, la invención incorpora medios de transferencia de calor tales que el calor de reacción es eliminado de los elementos de conductor iónico de electrolito sólido, manteniendo con esto a los elementos de conductor iónico de electrolito sdlido a temperatura muy constante. Esto es alcanzado variando los coeficientes locales de transferencia de calor y el área de transferencia de calor como sea necesario mediante la selección de la geometría de superficie de transferencia de calor apropiada, incluyendo la posible adición de una capa aislante, y de las velocidades de flujo local apropiadas. Al mismo tiempo, se asegura la transferencia de masa de oxígeno apropiada a la superficie del cátodo y de reactivo a la superficie del ánodo de la membrana mediante, ya sea, por alta turbulencia o por dimensiones estrechas del pasaje. Además, se pone atención a la necesidad de mantener la presión parcial de oxígeno en o cerca de la superficie del ánodo a un nivel suficientemente alto para una vida larga del conductor específico mixto o de doble fase empleado mediante el balanceo del flujo local de oxígeno y la cinética de reacción. Esto se logra seleccionando una membrana con espesor y conductividad iónica apropiados por ün lado y controlando la actividad catalítica mediante material catalizador y/o área de superficie por el otro. Otras funciones, tales como calentamiento indirecto de una tercera corriente de gas o una separación de una corriente de gas producto mediante una membrana adecuada de electrolito sólido, son integradas para alcanzar una simplicidad máxima mientras se satisfacen los requerimientos operacionales discutidos en al párrafo previo. Como se usan en la presente, "Os términos "conductor, iónico de electrolito sólido", "membrana de transporte de iones de electrolito sólido", "membrana transportadora de iones", o "electrolito sólido" son usados para designar ya sea un material de tipo iónico o un material de tipo-conductor mixto a menos que se especifique otra cosa. Como se usa en la presente, el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aun cuando el oxígeno elemental se encuentra en forma diatómica, incluye atemos de oxígeno sencillos, ozono triatómico, y otras formas sin combinar con otros elementos. El término "alta pureza" se refiere a una corriente de producto que contiene menos del .diez por ciento en volumen de gases indeseables. Preferentemente, el producto es por lo menos 98.0% puro, más preferiblemente 99.9% puro, y lo más preferiblemente por lo menos 99.99% puro, en donde "puro" indica una ausencia de gases indeseables. La invención será descrita ahora en detalle con referencia a las figuras en las cuales numerales de referencia similares se usan para indicar elementos similares. Una modalidad de la invención se ilustra por el diagrama esquemático de la Fig. 1 que muestra el diseño básico de un reactor de conductor iónico de electrólito sólido de la invención. Aunque el diseño básico destaca aspectos. que son comunes para todos los reactores de conductor iónico de electrolito sólido, el diseño específico menciona una aplicación deoxo, por ejemplo, eliminación del 1% al 10% del oxígeno residual de una corriente de gas crudo de nitrógeno o argón 18. El diseño "de reactor de conductor iónico de electrolito sólido de la Fig. 1 destaca un arreglo de tubos y cubierta con una placa de tubos sencilla 21 en un extremo del aparato y dos placas de tubos 7 y 8 en el otro extremo del aparato. El interior de la cubierta 14 está protegida térmicamente por el aislamiento 15 y contiene los tubos de transporte de iones 1 rodeados por la envolvente 3 y sellados y soportados por sellos de anillos en "O" 6. Este sello de placa tubo-a-tubo acomoda los cambios dimensionales térmicos y de composición en el tubo de transporte de iones 1. Los tubos de transporte de iones 1 consisten ya sea de un conductor mixto de óxido sólido de pared densa o de doble fase o de un conductor mixto de óxido sólido de película delgada o de doble fase soportados por un substrato poroso. El material de transporte de iones debe tener suficiente habilidad para conducir iones oxígeno y electrones a la presión parcial de oxígeno prevaleciente en el rango de temperatura de 400° C a 1,100° C cuando se mantiene una diferencia de potencial químico a través de la superficie de la membrana transportadora de iones causada por una relación en las presiones parciales de oxígeno a través de la membrana transportadora de iones. Materiales de transporte de iones adecuados son las perovskitas y las combinaciones de óxidos metal-metal de doble fase como se enlistan en ?a Tabla 1. Puesto que el entorno reactivo en el lado del ánodo (lado permeado) de la membrana transportadora de iones crea presiones parciales de oxígeno muy bajas en muchas aplicaciones, las perovskitas que contienen cromo de la Tabla 1 pueden ser el material preferido puesto que estos tienden a ser estables en este entorno, es decir, no son descompuestos químicamente a presiones parciales de oxígeno muy bajas. Opcionalmente, pueden ser agregadas capas de catalizador poroso, hechas posiblemente del mismo material de perovskita, a ambos lados de la membrana transportadora de iones para aumentar la superficie de intercambio de oxígeno y las reacciones químicas en estas superficies. Alternativamente, la capa superficial de la membrana transportadora de iones puede ser incrustada, por ejemplo, con cobalto, para aumentar la cinética de intercambio superficial.

TABLA I Durante la operación, la corriente de gas que contiene oxígeno 18 entra a la cubierta 14 cerca de la parte superior del reactor, fluye hacia abajo en un modo de flujo contra-tranversal, u opcionalmente de modo transversal concurrente, al flujo de la corriente de gas de purga reactiva o de gas reactivo 16 dentro de los tubos de transporte de iones 1 dirigida por los deflectores 4, y entra entonces a los pasajes anulares 2 entre los tubos de transporte de iones 1 y la envolvente 3 en donde es extraído el oxígeno de la corriente de gas 18 por los tubos de transporte 1 que atraviesan interna y radialmente. La corriente de gas 18 es recuperada como una corriente de gas 20 agotado en oxígeno desde el espacio entre las placas de tubos 7 y 8. La corriente de gas reactivo 16 fluye dentro de los tubos de transporte de iones 1 en cual reacciona con el gas oxígeno conforme penetra a través de los tubos de transporte de iones 1 para producir la corriente de gas 22 que sale del reactor. El oxígeno para la reacción en el lado permeado de los tubos de transporte de iones 1 es extraído por transporte de iones de la corriente de gas que contiene oxígeno 18 que fluye a través de los pasajes anulares ?. La resistencia a la difusión gaseosa es minimizada por el ancho angosto, preferiblemente de 0.5-4 mm y más preferiblemente de 0.8-3 rrm, de los pasajes anulares 2 entre los tubos de transporte de iones 1 y sus respectivas envolturas 3. La reacción tiene lugar en la capa que limita o en la superficie del ánodo (lado permeado) de los tubos de transporte de iones 1. Como resultado, la temperatura máxima estará en la pared de los tubos de transporte de iones 1. El arreglo concéntrico de los tubos de transporte de iones 1 y los tubos envolventes 3 asegura un acoplamiento de transferencia de calor por radiación excelente entre ellos y, puesto que a las altas temperaturas de operación la transferencia de calor por radiación es muy eficiente, las temperaturas locales de los tubos envolventes 3 seguirán estrechamente la temperatura local de sus tubos de transporte de iones 1 respectivos. Los coeficientes de transferencia de calor entre la corriente de gas que fluye en los pasajes anulares 2 y las paredes del pasaje (es decir, la superficie externa de los tubos de transporte de iones 1 y la superficie interna de los tubos envolventes 3) también serán altos como resultado de la geometría del pasaje. El lado interno de la cubierta 14 del reactor está provista con deflectores 4 los cuales están dispuestos con espacios axiales variados. El gas que contiene oxígeno 18 entra en el lado de la cubierta del reactor por el extremo opuesto a la entrada del pasaje anular 2. El gas que entra fluye con flujo contra-transversal con relación a la dirección del flujo de la corriente de gas en los pasajes anulares 2 (es decir, con relación a los tubos de transporte de iones). Los coeficientes locales de transferencia de calor entre la corriente de gas del lado de la cubierta y las envolventes 3 pueden ser controlados mediante la selección apropiada de las velocidades de flujos transversales locales y el área del deflector local, ambas de las cuales dependen del espaciamiento del bafle o mediante la geometría de la superficie incluyendo capas aislantes si se requieren. Un arreglo típico de espaciamiento de deflector se dá en la Tabla II, con la distancia en centímetros: TABLA II Como se ha mencionado previamente, la temperatura de los tubos de transporte de iones 1 tiene que ser mantenida a un nivel relativamente uniforme para asegurar la utilización más efectiva del reactor. Esto puede ser realizado con el arreglo seleccionado en la siguiente manera. Puesto que en la mayoría de los casos el flujo de masa en el lado de la cubierta excede significativamente a la del lado de la reacción, el calor de reacción tiene que ser absorbido primeramente mediante el aumento de temperatura de la corriente de gas en la parte lateral de la cubierta. Por lo tanto, la corriente de gas que contiene oxígeno 18 debe entrar al reactor a una temperatura por debajo significativamente de la temperatura de reacción. Para evitar depresiones y elevaciones locales de la temperatura del tubo de transporte de iones 1, es importante que la corriente de gas entre al pasaje anular a una temperatura razonablemente cercana a la temperatura de reacción y que la transferencia local de calor entre la corriente de gas del lado de la cubierta y la envolvente 3 sea esencialmente constante sobre la longitud axial total del pasaje anular 2. En general, esto significa que en donde la?t es grande, los coeficientes de transferencia de calor y la densidad de área de bafle tienen que ser bajos, es decir, el espaciamiento de bafles es amplio; en donde la?t es pequeña, los coeficientes de transferencia de calor y la densidad de área de bafles tienen que ser altas, es decir, el espaciamiento de bafles es cerrado. Debe notarse que la discusión anterior está muy simplificada de algún modo ya que las relaciones de reacción no son uniformes necesariamente a lo largo de toda la longitud del reactor puesto que varían no solamente con la temperatura sino también con el potencial químico impulsor local para el transporte de oxígeno y la cinética local de reacción. Como será ilustrado por un ejemplo posterior, un diseño de reactor detallado exhaustivamente requiere un análisis bastante complejo en el cual sean tomados en cuenta todos estos factores. No obstante, manteniendo el perfil de temperatura del elemento conductor iónico de electrolito sólido relativamente uniforme subsiste la meta directriz del diseño y la hab lidad para variar el espaciamiento axial de los bafles proporciona la flexibilidad necesaria para alcanzar esta meta así como lo hace la habilidad para agregar una capa de aislamiento de espesor apropiado si las?T's son muy grandes. Este aspecto de la invención, en particular, diferencia la invención de los métodos Electropox anteriores desarrollados por British Petroleum. En el diseño también es importante balancear el flujo de oxígeno local y las cinéticas de reacción para asegurar que las presiones parciales locales de oxígeno estén a un nivel que aseguren la estabilidad del material, es decir, típicamente arriba de 10-1-1 a 10-1' atm. para materiales conocidos actualmente. El flujo de oxígeno será una función compleja dependiente de la conductividad iónica del material, del espesor de pared del electrolito sólido, de la cinética de reacción, de la presión parcial del gas reactivo, y de la actividad catalítica, la cual puede ser influenciada por la selección del catalizador y el área extendida del catalizador. El flujo de gas en el lado de la reacción (lado permeado) de los tubos de transporte de iones 1 puede ser a contra-corriente o concurrente. La dirección del flujo de gas puede ser importante bajo ciertas circunstancias puesto que afectarán la cinética de reacción y los entornos de presiones parciales de oxígeno. El último aspecto tiene un efecto en el flujo de oxígeno, la estabilidad del material y esfuerzos de composición. Los tubos de transporte de iones 1 pueden estar fijos en la placa de tubos inferior o sellados flexiblemente mediante anillos "o" 6. Los tubos de transporte de iones 1 deben ser capaces de deslizarse para acomodar el crecimiento axial resultante de la expansión térmica y de composición. En la Fig. 1, los tubos de transporte de iones 1 están sellados en sus extremos superiores por anillos "o" 6. Si, además, los tubos de transporte de iones 1 están sellados flexiblemente en sus extremos de fondo, se debe proveer un tope para limitar el viaje de los tubos de transporte de iones 1 debido a la expansión térmica y de composición. En el diseño de la Fig.l, las placas de tubos 7, 8 y 21 y la cubierta 14 están aisladas.por el aislamiento 15 y mantenidas a bajas temperaturas para permitir el uso de materiales de construcción menos caros. Opcionalmente, las placas de tubos 7, 8 y 21 pueden ser enfriados activamente por una corriente de gas independiente, no mostrada. Reacciones diversas de oxidación parcial o completa tales como las descritas por Mazanec et al., en la Patente de E.U. No. 5,306,411, incorporada a la presente por referencia, pueden ser conducidas dentro de los tubos 1. El diseño ilustrado en la Fig. 1 puede usarse también como un quemador. En una primera construcción concurrente, el flujo de gas lateral de reacción es concurrente con la corriente de gas de alimentación que viaja por el pasaje 2 y la placa de tubos 7 puede ser eliminada, puesto que las corrientes que salen de ambos lados del reactor pueden unirse para salir juntas a través de la puerta superior 9. En otra construcción concurrente, la consideración de la resistencia de transferencia de masa se vuelve menos importante y puede ser posible eliminar el tubo envolvente 3 puesto que normalmente están disponibles cantidades significativas de oxígeno en exceso. La corriente de gas que contiene oxígeno 18 será alimentada entonces a la cubierta 14 a través de la puerta 12, mostrada en linea punteada, y extraida en el otro extremo a través de la puerta 9. Los deflectores 4 con espaciamiento axial variable continúan siendo requeridos, como antes, para obtener flujo de calor local constante relativamente para transferir el calor de reacción de los tubos de transporte de iones 1 a la corriente de gas lateral de la cubierta. En esta segunda construcción de quemador, el espaciamiento de deflectores es amplio hacia el fondo y angosto hacia la parte superior del módulo 17. La Fig. 2 muestra un detalle de una variación del diseño previo el cual es funcionalmente equivalente. Para evitar esfuerzos en los tubos de transporte de iones 28, sus extremos están sellados en sus partes superiores mediante una cubierta de sello superior 26 y son dejados flotar libremente dentro de la envolvente 38. Un tercer tubo interno concéntrico 30 es agregado dentro de cada tubo de transporte de iones 28 para suministrar o sacar gases laterales de reacción. Para acomodar este arreglo de flujo, la doble placa de tubos corre de desde arriba hasta el fondo con el espacio entre las dos placas de tubos inferiores estando disponible para alimentar o sacar las corrientes de gas laterales de reacción. El flujo de la corriente de gas 36 que contiene oxígeno en la Fig. 2 es idéntico a aquel de la Fig. 1 como son la reacción, la transferencia de calor, y las relaciones de flujos de gases. El flujo de la corriente de gas 36 gue contiene oxígeno es dirigido por los def.lectores 40. La corriente de gas reactivo 32 fluye dentro del tubo interno concéntrico 30 y después a través del pasaje anular 29 formado por el tubo interno concéntrico 30 y el tubo de transporte de iones 28. La corriente de gas reactivo 32 reacciona con el gas oxígeno a medida que penetra a través de tubos de transporte de iones 28 para producir una corriente de gas 34 que sale del reactor. La corriente de gas 42 agotado en oxígeno también sale del reactor. Las ventajas del diseño de la Fig. 2 sobre el de la Fig. 1 son la eliminación de los esfuerzos en los tubos de transporte de iones 28 derivados de la expansión diferencial y desalineamiento radial, y el requerimiento de solamente un sello de placa de tubo-a-tubo de transporte de iones. Las desventajas en este arreglo son la necesidad de un tubo interno concéntrico 30 y la necesidad de proporcionar tubos de transporte de iones 28 con un extremo cerrado durante su manufactura. Los lados para las corrientes de gas que contienen oxígeno y las corrientes de gas reactivo de la Fig. 2 son reversibles con variaciones relativamente menores, como se muestran en la Fig. 3A. El arreglo inverso de la Eig. 3A podría ser especialmente adecuado para tubos de transporte de iones de película delgada compuesta que pueden ser manufacturados" en diámetros mayores. En este caso, las corrientes de gas de alimentación 50 que contienen oxígeno entran a la cubierta 53 y fluyen a través de el tubo interno concéntrico 60 que calienta ahora a la corriente da gas de alimentación que entra y también aprovecha el acoplamiento cercano de transferencia de calor radiante con la superficie reactiva del tubo de transporte de iones 58. La corriente de gas de alimentación 50 que contiene oxígeno fluye entonces por el tubo de transporte de iones 58 a través del pasaje anular 61 formado por el tubo interno concéntrico 60 y el tubo de transporte de iones 58. Como antes, los coeficientes de transferencia de calor deben ser altos para elevar la temperatura de la corriente de gas de alimentación que entra tan cerca como sea posible a la temperatura de reacción y debe ser variable para minimizar las variaciones axiales en el flujo de calor local. Es posible variar los coeficientes de transferencia de calor controlando las velocidades locales y/o usando la geometría variable de los tubos 60 o 58, los insertos de área variable, o un inserto aislante de espesor variable. La Fig. 3B es un diagrama esquemático que muestra un detalle de tubo concéntrico interno 60 y un tubo de transporte de iones 58 de la Fig. 3A mostrando insertos de área variable 63 o insertos de espiral de grado variable 64 usados para variar los coeficientes locales de transferencia de calor. La Fig. 3C es un diagrama esquemático que muestra un detalle alterno de un tubo envolvente concéntrico 70 y un tubo de transporte de iones 71 en donde se usan insertos de aislamiento de espesor variable 72 para variar los coeficientes locales de transferencia de calor conforme una corriente de gas es guiada por los deflectores 73 y otra corriente de gas fluye por el pasaje anular 74. El número de insertos de aislamiento de espesor variable 73 puede variar desde uno o más (por ejemplo cinco) y pueden estar alternativamente en la superficie interna del tubo envolvente 70 o, cuando el transporte de iones no se necesita, en la superficie externa del tubo de transporte de iones 71. Otras variaciones esquemáticas de la Fig. 3C serán aparentes a aquellos expertos en el arte. En la Fig. 3A, co o en la Fig. 1, la resistencia a la transferencia de masa en los pasajes anulares 61 será baja con la geometría seleccionada. La corriente de gas de mezcla reactiva 52 entra al lado de la cubierta con deflectores del reactor en cualquier extremo dependiendo del flujo deseado, concurrente o a contra-corriente. Un tubo envolvente externo es eliuninado en esta modalidad puesto que la transferencia de masa en el lado reactivo no es tan críticaen este arreglo. La corriente de gas 56 agotado en oxígeno sale al espacio 57 entre las placas de tubos 51 y 55 desde donde puede ser extraida. Las consideraciones de diseño globales para el reactor de la Fig. 3A son muy similares a las de la Fig. 1 así como su funcionalidad. Como tal, tiene las ventajas de los extremos de tubo de libre flotación y la ausencia de una placa de tubos superior. Además, puesto que la corriente de gas 50 que contiene oxígeno entra al reactor a una temperatura por debajo substancialmente de la temperatura de reacción, las juntas de las placas de tubos 51 y 55 y la placa de tubo-a-tubo pueden ser mantenidas a una temperatura relativamente baja para permitir el uso de materiales de construcción baratos y técnicas de sellado normales relativamente tales como soldadura. Una desventaja es que el control de los perfiles de temperatura puede no ser tan bueno como para el diseño de la Fig. 1. La Fig. 4A muestra un ejemplo de un reactor similar al de la Fig. 1 que fue diseñado para remover 2% del oxígeno contenido de una corriente de gas nitrógeno para conseguir una pureza de gas producto con menos de 10 ppm de oxígeno e ilustra además los principios generales de la invencidn. La Fig. 4B es un diagrama que muestra un detalle de la parte superior de la Fig. 4A y la Fig. 4C es un diagrama que muestra un detalle de la parte inferior de la Fig. 4A.

La modalidad del Ejemplo de Reactor de la Fig. 4A fue diseñada usando un modelo de reacción heterogénea basado en especies reactivas específicas tales como metano, un modelo de flujo de oxígeno de multiresistencia, y un modelo de transferencia de calor. La operación de la modalidad de la invencidn mostrada en la Fig. 4A es similar a aquella de la Fig. 1. Como se dijo previamente, las Figs. 4B y 4C muestran detalles respectivamente de la sección superior y la sección inferior de la Fig. 4A y deberán ser consultadas para ver los detalles de la construcción de esas áreas de la Fig. 4A como se describe más adelante.

En la Fig. 4A, la corriente de gas 18 que contiene oxígeno entra a la cubierta 14 cerca de la parte superior del reactor, fluye hacia abajo en una manera de flujo contra-tranversal al flujo de la corriente de gas 16 de purga reactiva o de gas reactivo dentro de los tubos de transporte de iones 1 dirigida por los deflectores 4, y entra entonces a los pasajes anulares 2 entre los tubos de transporte de iones 1 y la envolvente 3 (mostrado en la vista detallada de la Fig. 4B) en donde es extraído el oxígeno de la corriente de gas y es recuperado como una corriente de gas 20 agotado en oxígeno desde el espacio entre las placas de tubos 7 y 8. La corriente de gas reactivo 16 fluye dentro de los tubos de transporte de iones 1 que reacciona con el gas oxígeno conforme penetra a través de los tubos de transporte de iones 1 para producir la corriente de gas 22 que sale del reactor. Como antes, el oxígeno para la reacción en el lado permeado de los tubos de transporte de iones 1 es extraído mediante transporte de iones de la corriente de gas 18 que contiene oxígeno que fluye a través de los pasajes anulares 2. La resistencia a la difusión gaseosa es minimizada por la distancia estrecha de los pasajes anulares 2 entre los tubos de transporte de iones 1 y sus respectivas envolturas 3. La reacción tiene lugar en la capa limítrofe o en la superficie del ánodo (lado permeado) de los tubos de transporte de iones 1. Como resultado, la temperatura máxima estará en la pared de los tubos de transporte de iones 1. La disposición concéntrica de los tubos de transporte de iones 1 y los tubos envolventes 3 aseguran un excelente acoplamiento de transferencia de calor por radiación entre ellos y, puesto que la transferencia de calor por radiación a altas temperaturas de operación es muy eficiente, las temperaturas locales de los tubos envolventes 3 seguirán la temperatura local de sus respectivos tubos de transporte de iones 1 de un modo cercano. Los coeficientes de transferencia de calor entre la corriente de gas que fluye en los pasajes anulares 2 y las paredes del pasaje (es decir, la superficie externa de los tubos transportadores de iones 1 y la superficie interna de los tubos envolventes 3) también serán altos como resultado de la geometría del pasaje. El lado interno de la cubierta 14 del reactor está provisto con deflectores 4 los cuales están dispuestos con espaciamiento axial diverso. El gas 18 que contiene oxígeno entra al lado de la cubierta del reactor en el extremo opuesto a la entrada del pasaje anular 2. Los flujos de gases que entran en flujo contra-tranversal con relación a la dirección del flujo de la corriente de gas en los pasajes anulares 2 (es decir, con relación a los tubos de transporte de iones 1). Los coeficientes locales de transferencia de calor entre la corriente de gas del lado de la cubierta y las envolventes 3 pueden ser controlados mediante selección apropiada de las velocidades locales del flujo transversal y del área local del deflector, ambos de los cuales dependen del espaciamiento de los deflectores o mediante la geometría de la superficie incluyendo capas de aislamiento si se requieren. Como se ha dicho previamente, la temperatura de los tubos de transporte de iones 1 tiene que ser mantenida a un nivel relativamente uniforme para asegurar la utilización más efectiva del reactor. Esto se puede realizar con la disposición seleccionada en la siguiente manera. Puesto que en la mayoría de los casos el flujo de masa en el lado de la cubierta excede significativamente a aquel en el lado de la reacción, el calor de reacción tiene que ser absorbido principalmente por el aumento de temperatura en la corriente de gas del lado de la cubierta. Por lo tanto, la corriente de gas 18 que contiene oxígeno debe entrar al reactor a una temperatura significativamente por abajo de la temperatura de reacción. Para evitar depresiones y elevaciones locales de la temperatura del tubo de transporte de iones 1, es importante que la corriente de gas entre al pasaje anular 2 a una temperatura razonablemente cercana a la temperatura de reacción y que la transferencia de calor local entre la corriente de gas del lado de la cubierta y la envolvente 3 sea constante esencialmente sobre la longitud axial total del pasaje anular 2. En general, esto quiere decir que cuando la?t es grande, los coeficientes de transferencia de calor y la densidad de áreas de deflectores tiene que ser baja, es decir, el espaciamients de deflectores es amplio; cuando la ?T es pequeña, los coeficientes de transferencia de calor y la densidad de áreas de deflector tienen que ser altos, es decir, el espaciamiento de deflectores es estrecho. Como se ve en la Fig. 4C, los tubos de transporte de iones 1 pueden estar fijos en la placa de tubos inferior o sellados flexiblemente por anillos "o" 6. Los tubos de transporte de iones 1 deben ser capaces de deslizarse para acomodar el aumento axial resultante de la expansión térmica y de composición. Como se ve en la Fig. 4B, los tubos de transporte de iones 1 están sellados en sus extremos superiores por anillos "o" 6. Si, además, los tubos de transporte de iones 1 son sellados flexiblemente en sus extremos inferiores, debe de proveerse un tope para limitar el viaje de los tubos de transporte de iones 1 debido a la expansión térmica y de composición. En el diseño de la Fig. 4A, las placas de tubos 7, 8 y 21 y la cubierta 14 están aisladas por el aislamiento 15 y mantenidas a temperaturas menores para permitir el uso de materiales de construcción menos caros. Opcionalmente, las placas de tubos 7, 8 y 21 pueden ser enfriados activamente por una corriente de gas independiente, no mostrada. El flujo de oxígeno multiresistencia fue calculado combinando las ecuaciones para la cinética de interface en los lados del cátodo y del ánodo con el proceso de difusión dentro de la membrana de transporte de iones. En ambas superficies la fuerza impulsora para el flujo de oxígeno es el gradiente de potencial oxígeno a través de la superficie específica. En el cátodo el flujo de oxígeno es proporcional a la concentración de vacantes oxígeno en el material de membrana y la raíz cuadrada de la presión parcial de oxígeno. En el ánodo el régimen de oxidación del reactivo es proporcional a la presión parcial de las especies reactivas y la concentración de vacantes en la pared de la membrana. La difusión de oxígeno en la pared sigue la bien conocida Ecuación de Nernst: -r RTS 1 ,P2_ , ,- , J?= 16F2L ^ { ^] (1) en donde: S es la conductividad iónica; L es el espesor de pared; R es la constante de gases (8.31 x 10^ J»kmol-l); ? T es la temperatura (K) ,- F es la constante de Faraday (9.65 x 107 C' mol-1); P]_ es la presión parcial de 02 en la pared del cátodo de la membrana; y ?2 es la presión parcial de 02 en la pared del ánodo de la membrana. Los resultados calculados del Ejemplo de Reactor de la Fig. 4A fueron como sigue. La temperatura de admisión al reactor de nitrógeno crudo requerida se encontró que es de 855 C. La Fig. 5 es una gráfica que muestra los perfiles de temperatura calculados de varios elementos del Ejemplo de Reactor de la Fig. 4A como una función de la distancia desde la entrada de la alimentación. La Fig. 6 es una gráfica que muestra los perfiles calculados de alimentación y presiones parciales de oxígeno de purga en la pared del Ejemplo de Reactor de la Fig. 4A como una función de la distancia desde la entrada de alimentación. El diseño del Ejemplo de Reactor de la Fig. 4A es exitoso puesto que las variaciones de temperatura en la pared del tubo de transporte de iones están por abajo de los 100 C y las presiones parciales de oxígeno son mayores que 10 atm. a lo largo de toda la longitud de la pared del tubo de transporte de iones. Como se dijo antes, es posible combinar un reactor de transporte de iones con otras funciones en un diseño de cubierta sencillo. Las aplicaciones posibles más prominentes son para los separadores de reactor/calentadores y reactor/oxígeno. La Fig. 7A es un diagrama esquemático que ilustra un detalle de una modalidad de un reactor/calentador de transporte de iones de acuerdo con la presente invencidn. El reactor/calentador de la Fig. 7A destaca pares de placas de tubos 80 y 81, 82 y 83, en uno u otro extremos del aparato. Desde un lado, hileras de tubos de transporte de iones 85 penetran en el espacio de la cubierta; desde el otro lado, hileras de tubos calentadores 88 para una tercera corriente de gas penetran en el espacio de la cubierta. Los tubos de transporte de iones 85 y los tubos calentadores 88, ambos, tienen extremos cerrados con flotación libre y pueden estar dispuestos en hileras alternantes. Los tubos de transporte de iones 85 y los tubos calentadores 88 también contienen tubos internos concéntricos 86 y 89. respectivamente. Los tubos internos concéntricos 86 permiten la entrada o extracción de la mezcla de gases reactivos en el caso de los tubos de transporte de iones 85; los tubos internos concéntricos 89 permiten la entrada o extracción de la corriente de gas a ser calentada en el caso de tubos calentadores 88. Preferiblemente, los tubos concéntricos 89 dentro de los tubos calentadores 88 están aislados por el aislamiento 90 en sus superficies interior o exterior para retardar el intercambio de calor a través del tubo concéntrico 89. La cubierta del reactor/calentador destaca deflectores 92 en un espaciamiento axial variable. Durante la operación, la mezcla de gases reactivos es introducida al tubo interno concéntrico 86 o al pasaje anular 94 en el fondo del tubo de transporte de iones 85, dependiendo de si es flujo concurrente o a contra-corriente con respecto a la dirección del flujo del gas que contiene oxígeno en el lado de la cubierta si se desea. La reacción en la superficie interna del tubo de transporte de iones 85 es soportada por el transporte de iones oxígeno de la corriente de gas que contiene oxígeno a través de la pared del tubo de transporte de iones. Como se muestra en la Fig. 7A, la corriente de gas a ser calentada entra a través del tubo interno concéntrico 89 y recoge calor conforme fluye dentro del pasaje anular 96. El gas que contiene oxígeno entra a la cubierta por el fondo del tubo interno concéntrico 89 y fluye concurrentemente-transversal con respecto a la corriente de gas a ser calentada. El calor de reacción es absorbido por un aumento en la temperatura de la corriente de gas que contiene oxígeno y la tercera corriente de gas en el tubo calentador 88.

Como en modalidades previas, la temperatura del tubo de transporte de iones 85 deberá ser mantenida constante relativamente para rendimiento óptimo. El calor es transferido a la tercera corriente de gas por radiación y convección. La convección puede ser influenciada otra vez por el espaciamiento variable de los deflectores para alcanzar altas velocidades de flujo y coeficientes elevados de convección cerca del fondo del tubo interno concéntrico 89 en donde las diferencias de temperatura son grandes y velocidades bajas de flujo y coeficientes bajos de convección- cerca de la parte superior del tubo interno concéntrico 89 en donde las diferencias de temperatura son pequeñas. La meta de alcanzar flujo de calor uniforme puede ser también facilitada proporcionando coeficientes variables de convección para la tercera corriente de gas en el pasaje anular 96. Una manera de alcanzar esto es usando un inserto en espiral de grado máximo variable 97 en el pasaje anular 96 el cual da altas velocidades en el extremo inferior del tubo interno concéntrico 89 y velocidades bajas en el extremo superior del tubo interno concéntrico 89. La Fig. 7B es un diagrama esquemático de una placa de tubos utilizable en el reacto /calentador de transporte de iones de la Fig. 7A. la placa de tubos 100 sostiene los tubos de transporte de iones 99 con los tubos calentadores 98 en hileras alternas. Las ventajas de usar un reactor y calentador combinados en una sola unidad incluyen la oportunidad para la simplificación de sistemas de procesos y la libertad de manejar calores de reacción más altos en casos en donde la capacidad calorífica del gas que contiene oxígeno es insuficiente. La Fig. 8A es un diagrama esquemático que muestra un separador de oxígeno/reactor de transporte de iones. El separador de oxígeno/reactor de transporte de iones calienta una corriente de gas que contiene oxígeno, tal como aire, a la temperatura de operación del transporte de iones y extrae una corriente de producto oxígeno puro. En la Fig. 8A, el tubo 122 del reactor de transporte de iones está pegado y sellado en un extremo a la placa de tubos superior 112. El otro extremo del tubo 122 del reactor de transporte de iones está flotando libremente y tiene un orificio 123 de restricción de flujo o de distribución de flujo en su extremo. El pasaje anular 125 está formado entre la pared externa del tubo de transporte de iones 122 y la pared interna del tubo envolvente 124. Un tubo separador de transporte de iones 130 de extremo cerrado está pegado y sellado a la placa de tubos del fondo 110. El pasaje anular 135 está formado entre la pared externa del tubo separador de transporte de iones 130 y la pared interna del tubo envolvente 128. Ambos tubos envolventes 124 y 128 están abiertos en sus extremos superiores y ambos están pegados y sellados a la placa de tubos 111. Durante la operación, la corriente de gas reactivo 116 es introducida al interior del tubo reactor de transporte de iones 122 en la parte superior del aparato y fluye hacia abajo por el pasaje anular 125. El oxígeno es transferido por transporte de iones a través del tubo reactor de transporte de iones 122 y sufre una reacción en su superficie. El calor de reacción es rechazado a la corriente de gas del lado de la cubierta a través del tubo envolvente 124 y los deflectores 120. Los productos de reacción salen por el fondo del tubo reactor de transporte de iones 122 a través del orificio de restricción y distribución de flujo ""23 en el fondo del tubo reactor 122 hacia el espacio 138 entre las placas de tubos 110 y lll del fondo. La corriente de gas 114 que contiene oxígeno entra a la cubierta 136, fluye hacia arriba a través de los deflectores 120 en la cubierta 136 en donde es calentada a la temperatura de operación (700° C a 1,050° C) del separador de transporte de iones, y entra entonces al pasaje anular 135 entre el tubo separador de transporte de iones 130 y el tubo envolvente 128. El tubo separador de transporte de iones 130 está cerrado en su extremo superior. El oxígeno es transportado a través de la pared del tubo separador 130 de transporte de iones manteniendo una relación positiva de presiones parciales de oxígeno a través de su pared y la corriente de gas oxígeno entra al espacio 140 abajo de la placa de tubos 110 y sale de la cubierta 136 como la corriente de gas 118. Los productos de reacción y la corriente agotada de oxígeno entran al espacio común 138 entre las placas de tubos 110 y 111 del fondo y salen de la cubierta 136 como la corriente de gas 115. Como en los ejemplos previos, el calor de reacción debe ser absorbido por el aumento de temperatura de la corriente de gas que contiene oxígeno y la temperatura del tubo reactor de transporte de iones 122 mantenido a una temperatura tan uniforme como sea posible. Como se dijo antes, esto se puede alcanzar manteniendo un flujo constante de calor local mediante el control de los coeficientes locales de transferencia de calor por medio del espaciamiento variable de los deflectores. Para evitar dañar la pérdida de calor desde la corriente de gas que contiene oxígeno en el pasaje anular 135 y depresiones de temperatura en el tubo separador de transporte de iones 130, el tubo envolvente está aislado, preferiblemente en su superficie externa. La Fig.8B es un diagrama esquemático que muestra un diseño alterno de un separador de oxígeno/reactor de rtansporte de iones. El separador de oxígeno/reactor de transporte de iones calienta una corriente de gas que contiene oxígeno, tal como aire, a temperatura de operación del transporte de iones y extrae una corriente producto de oxígeno puro. En la Fig. 8B, el tubo reactor de transporte de iones está fijo y sellado al extremo superior por la placa de tubos superior 154 y al extremo de fondo por la placa de tubos del fondo 156. El pasaje anular 156 está formado entre la pared externa del tubo reactor de transporte de iones 152 y la pared interna del tubo envolvente 158. El tubo separador de transporte de iones 160 está pegado y sellado al extremo superior por la placa de tubos superior 162 y al extremo de fondo por la placa de tubos del fondo 156. El pasaje anular 164 está formado entre la pared externa del tubo separador de transporte de iones 160 y la pared interna del tubo envolvente 170. Ambos tubos envolventes 170 y 158 están abiertos en ambos extremos y ambos están unidos y sellados a la placa de tubos 166; el tubo envolvente 158 está unido y sellado adicionalmente a la placa de tubos 172. Como con otras configuraciones en donde los tubos están unidos en cada extremo, se usan sellos deslizantes 168 para sellar un extremo del tubo reactor de rtansporte de iones 152, del tubo separador de transporte de iones 160, y del tubo envolvente 158. Durante la operación, una corriente de gas de alimentación 150 que contiene oxígeno entra a la cubierta 180, fluye hacia arriba a través de los deflectores 174 en la cubierta 180 en donde es calentada a la temperatura de operación (700° C a 1,050° C) del separador de transporte de iones, y entra después al pasaje anular 164 entre el tubo separador de transporte de iones 160 y el tubo envolvente 170. El oxígeno es transportado a través de la pared del tubo separador 160 de transporte de iones manteniendo una relación positiva de presiones parciales de oxígeno a través de su pared y la corriente de gas oxígeno se une a la corriente del gases productos de reacción 182 y la corriente de gases combinados sale de la cubierta 180 como la corriente de gas 184. La corriente de gas retenido 186 conteniendo algo de oxígeno entra después al pasaje anular 164 entre el tubo reactor de transporte de iones 152 y el tubo envolvente 158. Al mismo tiempo, la corriente de gas reactivo 178, la cual puede contener opcionalmente vapor también, es introducida al interior del tubo reactor de transporte de iones 152 en la parte superior del aparato y fluye hacia abajo. El oxígeno es transferido de la corriente de gas 186 por transporte de iones a través del tubo reactor de transporte de iones 152 y soporta una reacción en su superficie, y la corriente de gas retenido sale de la cubierta 180 como la corriente de gas 187. El calor de reacción es rechazado hacia la corriente de gas del lado de la cubierta a través del tubo envolvente 158 y los deflectores 174. La corriente de gases 182 productos de la reacción, como se anotó antes, se une al oxígeno que penetra a través del tubo separador de transporte de iones 160 y la corriente de gases combinados sale de la cubierta 180 como la corriente de gas 184. La modalidad ilustrada en la -Fig. 8B maximiza la fuerza impulsora para la transferencia de oxígeno en el tubo separador de transporte de iones 160 porque todo el aire, en lugar de solamente una porción, fluye primero por el tubo separador de transporte de iones 160 y porque los productos de la corriente de gases de combustión 182 del tubo reactor de transporte de iones 152 se usa para purgar el lado permeado del tubo separador de transporte de iones 160 para bajar la presión parcial de oxígeno en ese lado. Mecánicamente esta modalidad es compleja, teniendo cinco placas de tubos (las dos" externas flotando), y por lo menos dos sellos deslizantes. Afortunadamente, los dos sellos deslizantes aislan la entrada y la salida de las corriente de gases retenidos cuando la diferencia de presiones debido a las caídas de presión en el pasaje de retenido es pequeña. Como en los ejemplos previos, el calor de reacción debe ser absorbido por el aumento de temperatura de la corriente de gas que contiene oxígeno y la temperatura del tubo reactor de transporte de iones 152 mantenida a una temperatura tan uniforme como sea posible. Como se dijo antes, esto se puede alcanzar manteniendo un flujo de calor local constante controlando los coeficientes de transferencia de calor local por medio del espaciado variable de deflectores. Para evitar dañar la pérdida de calor de la corriente de gas que contiene oxígeno en el pasaje anular 164 y depresiones de temperatura en el tubo separador de transporte de iones 160, el tubo envolvente 170 está aislado, preferiblemente en su superficie externa. Es posible que materiales conductores iónicos de transporte de iones diferentes serán seleccionados para las funciones del reactor y del separador para proporcionar un servicio óptimo. Materiales seleccionados para servicio del reactor deberán tener estabilidad máxima a presiones parciales de oxígeno bajas tales como las perovkitas conteniendo cromo enlistadas en la Tabla 1 y materiales seleccionados para el servicio de la separación de oxígeno deberán ser aquellos que tienen alta conductividad iónica a presiones parciales de oxígeno elevadas. Aspectos específicos de la invención son mostrados en uno o más de los dibujos por conveniencia solamente, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invencidn. Modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte y se intenta que sea incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para hacer reaccionar una corriente de gas reactivo con oxígeno de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas usando un reactor de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado, dicho proceso comprendiendo: (a) hacer fluir la corriente de gas de alimentación en el lado de retenido de la membrana transportadora de iones; y (b) hacer fluir la corriente de gas reactivo en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones, en donde el calor generado de la corriente de gas reactivo que reacciona con la oxígeno que penetra a través de la membrana de transporte de iones es transferido a la corriente de gas de alimentación para calentar la corriente de gas de alimentación mientras se mantiene la temperatura de la membrana transportadora de iones dentro del rango de operación de la membrana transportadora de iones.
2. 2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el rango de operación es de aproximadamente 500° C a aproximadamente 1,100° C.
3. 3. El proceso de acuerdo a la reivindicación 1 en donde la temperatura a lo largo de la membrana transportadora de iones es mantenida constante substancialmente en toda la longitud de la membrana.
4. 4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3 en donde la temperatura a lo largo de la membrana transportadora de iones se mantiene constante relativamente dentro de un rango de aproximadamente 200° C.
5. 5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde las resistencias a la penetración de oxígeno y la cinética de reacción son repartidas de tal manera que la presión parcial de oxígeno en el lado permeado de la membrana se mantiene arriba de 10"-*-" atm.
6. 6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el flujo de la corriente de gas de alimentación es canalizada por la superficie de retenido de la membrana transportadora de iones a través de un pasaje de gas de alimentación entre la membrana transportadora de iones y una envolvente para minimizar la resistencia a la difusión gaseosa.
7. 7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 6 en donde la transferencia de calor al pasaje de gas de alimentación es modificada mediante por lo menos una geometría variable, un espaciamiento de deflectores variables, insertos de espiral de grado máximo variable, y un inserto aislante de espesor variable-
8. 8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde por lo menos una porción de calor del calor de reacción generado por la operación de la membrana transportadora de iones es transferida a una corriente de fluido que fluye a través del reactor de transporte de iones.
9. 9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la corriente de gas de alimentación se divide en una primera porción de gas de alimentación la cual es alimentada al reactor y provee oxígeno para reaccionar con la corriente de gas reactivo, con la cual se genera calor, siendo empleado el calor para calentar por lo menos la primera porción de gas de alimentación la cual transfiere calor a un módulo separador de transporte de iones que incluye una membrana separadora de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado a través del cual fluye una segunda porción de gas de alimentación y de la cual se extrae oxígeno a lo largo del lado permeado de aquella.
10. 10. Un reactor de transporte de iones para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas, dicho reactor comprendiendo: por lo menos un tubo de transporte de iones que tiene una membrana capaz de transportar iones oxígeno, teniendo la membrana transportadora de iones un lado de retenido y un lado de permeado, para extraer oxígeno de la corriente de gas de alimentación conforme fluye por el lado de retenido; en donde una corriente de gas reactivo se hace fluir por el lado de permeado de los tubos de transporte de iones para reaccionar con el oxígeno que penetra a través del mismo; en donde por lo menos una porción de calor del calor de reacción generado por la operación del tubo de transporte de iones es transferida a una corriente de fluido que fluye a través del reactor de transporte de iones; y en donde por lo menos una de las áreas de transferencia de calor y de los coeficientes de transferencia de calor varía inversamente con la diferencia de temperatura entre la corriente de gas de alimentación y la membrana transportadora de iones.