MXPA99005120A - Reactor de gas de sintesis con membrana ceramica. - Google Patents

Reactor de gas de sintesis con membrana ceramica.

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Abstract

Se describen una reaccion exotermica y una reaccion endotermica que son termicamente combinadas en un reactor teniendo por lo menos una membrana de transporte de ion selectiva de oxigeno que provee a 4 reaccion exotermica con oxigeno a partir de un gas que condene oxigeno, tal como aire. Los requerimientos termicos de la reaccion endotermica se satisfacen a traves de la reaccion exotermica. Dependiendo del diseno del reactor empleado, las reacciones exotermica y endotermica pueden ser combinadas gaseosamente.

Description

REACTOR DE GAS DE SÍNTESIS CON MEMBRANA CERÁMICA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un proceso para producir un gas de producto, tal como un gas de síntesis o un hidrocarburo insaturado, utilizando una combinación de reacción de oxidación parcial exotérmica y una reacción de reformación de vapor endotérmica. Más particularmente, el oxígeno para la reacción exotérmica es recibido a través del transporte mediante un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno, y el calor generado por la reacción exotérmica es suministrado hacia la reacción endotérmica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El gas natural y metano, un constituyente principal del gas natural, son difíciles de transportar económicamente y fácilmente no se convierten a combustibles líquidos, tales como metanol, formaldehído y olefinas, que son más fácilmente contenidos y transportados. Para facilitar el transporte, el metano típicamente es convertido a un gas de síntesis, el cual es un intermediario en la conversión de metano a combustibles líquidos. El gas de síntesis es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono con una relación molar de H2/CO de aproximadamente 0.6 a aproximadamente 6. Un método para convertir metano a gas de síntesis en la reformación de vapor. El metano se hace reaccionar con vapor y endotérmicamente es convertido a una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. El calor que mantiene esta reacción endotérmica es provisto por la combustión externa del combustible. La reacción de reformación de vapor es de la forma: (1) CH4 + H2O ? 3H2 + CO. En una reacción de oxidación parcial, ei metano se hace reaccionar con oxígeno y convierte a gas de síntesis en una reacción exotérmica. La reacción de oxidación parcial es de la forma: (2) CH4 + 1/2O2 ? 2H2 + CO. Tanto la reacción de reformación de vapor como la reacción de oxidación parcial son costosas de mantener. En la reformación de vapor, se requiere una cantidad significativa de combustible para proporcionar el calor para mantener la reacción endotérmica. En la reacción de oxidación parcial, se debe gastar una energía y capital significativos para proporcionar el oxígeno requerido para impulsar la reacción. La patente de E.U.A. 5,306,411 de Mazanec y otros, la cual se incorpora aquí por referencia en su totalidad, describe la producción de gas de síntesis a través de oxidación parcial y reformación de vapor, en donde el oxígeno es obtenido a través del transporte mediante un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxigeno y ambas reacciones se presentan en el ánodo o el lado permeado de la membrana. Este elemento de membrana conduce los iones de oxígeno con selectividad infinita y está dispuesto entre una corriente de alimentación que contiene oxígeno, típicamente aire, y una corriente de producto o purga de consumo de oxígeno, que típicamente contiene metano. La "selectividad de oxígeno" está destinada a transportar los iones de oxígeno que preferencialmente son transportados a través de la membrana sobre otros elementos, y sus iones. El elemento de membrana se hace de un óxido inorgánico, tipificado por zirconia estabilizada con calcio o itrio u óxidos análogos que tienen una estructura de fluorita o perovsquita. A temperaturas elevadas, generalmente en un exceso de 400°C, los elementos de membrana contienen huecos de ion de oxígeno móvil que proporcionan sitios de conducción para el transporte selectivo de iones de oxígeno a través de los elementos de membrana. El transporte a través de los elementos de membrana es dirigido por la relación de presión parcial de oxígeno (Po2) a través de la membrana: los iones O"" fluyen del lado con un alto P02 hacia el lado con un bajo P02. La ionización de O2 a O"" presenta en el lado del cátodo del elemento de membrana y los iones después son transportados a través del elemento de membrana, los iones O"" después se combinan para formar moléculas de oxígeno o reaccionar con el combustible, mientras liberan electrones e". Para elementos de membrana que exhiben solamente conductividad iónica, se colocan electrodos externos sobre las superficies del elemento de membrana y la corriente de electrones es regresada a través de un circuito externo. Si la membrana tiene conductividad iónica así como de electrones, los electrones son transportados hacia el lado del cátodo internamente, completando así un circuito y evitando la necesidad de electrodos externos. La patente '411 de Mazanec y otros describe poner en contacto un gas que contiene oxígeno con el lado del cátodo de un elemento de membrana de transporte selectivo de oxígeno. Una corriente de gas de proceso, tal como metano y vapor, fluye a lo largo del lado de ánodo del elemento de membrana. El oxígeno transportado reacciona exotérmicamente con el metano en una reacción de oxidación parcial formando un óxido de carbono e hidrógeno. Al mismo tiempo, el calor liberado por la reacción de oxidación parcial permite que el metano y el vapor se acoplen en una reacción endotérmica para producir hidrógeno y monóxido de carbono adicionales. Típicamente, se proporciona un catalizador de reformación para promover esta reacción. El gas de síntesis después puede ser convertido a metanol u otros combustibles líquidos a través del proceso de Fischer-Tropsch u otros productos mecánicos en procesos subsecuentes. Aunque la patente '411 de Mazanec y otros describe que una porción del calor generado por la reacción de oxidación parcial exotérmica puede ser utilizado para mantener la temperatura del elemento de membrana de transporte de iones, no se hacen provisiones para la remoción del calor en exceso a partir del reactor. Además, ya que las reacciones de oxidación parcial y de reformación de vapor se conducen mejor a alta presión, no hay ninguna descripción por parte de Mazanec y otros de un diseño de reactor o configuración de sellado para soportar altas presiones. La solicitud de patente E. U. A. comúnmente cedida serie No. 08/848,204, intitulada "Solid Electrolyte Ion Conductor Reactor Design" de Gottzmann y otros, presentada el 29 de abril de 1997 e incorporada aquí por referencia en su totalidad, describe la utilización del calor generado por una reacción de oxidación parcial exotérmica para calentar un gas de alimentación que contiene oxígeno antes de suministrar ese gas de alimentación al lado del cátodo de un elemento de membrana de transporte de oxígeno selectivo de oxígeno. La solicitud 08/848,204 también describe el uso de un tubo de refuerzo térmicamente conductor rodeando los elementos de membrana para mejorar la conducción de calor, mientras se mantiene el aislamiento de gases Las disposiciones de fuga reactivas se describen en "Reactive Purge for Solid Electrolyte Membrane Gas Separation", patente de E.U.A Serie No. 08/567,699, presentada el 5 de diciembre de 1995 Publicación E.P. No. 778,069, y que también se incorpora aquí por referencia. Ambas solicitudes están comúnmente cedidas con la presente solicitud. Las patentes de E.U.A. Nos. 5,565,009 y 5,567,398 de Ruhl y otros, que se Incorporan aquí por referencia en su totalidad, describen la fabricación de un gas de síntesis a través de la reformación de vapor del metano en un lecho de catalizador ubicado sobre el lado de coraza de un tubo y reactor de coraza. El calor para mantener la reacción de reformación es provisto por la combustión del combustible dentro de los tubos en donde el combustible y el suministro de oxígeno (aire) son separadamente calentados y sólo combinados después de que llegan a su temperatura de auto-ignición. Las trayectorias del flujo del reactor descritas por Ruhl y otros están dispuestas de tal manera que los productos de combustión, así como los productos de reacción endotérmica, son enfriados antes de salir del horno. El diseño descrito permite el uso de sellos de temperatura más baja, en donde los tubos de combustión se unen a las láminas del tubo. Sin embargo, permanece la necesidad de un reactor para la producción de gas de síntesis e hidrocarburos insaturados que utilicen un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno, que sea capaz de operar a presiones por arriba de 10.545 kg/cm2m y temperaturas en la escala de 800°C a 1100°C, y tenga provisiones que compensen los cambios dimensionales en los elementos de membrana debido al calentamiento térmico y debido al consumo y liberación de oxígeno por parte de los elementos de membrana durante períodos operacionales y transicionales. El reactor, además, debe mantener los elementos de membrana dentro de los límites de temperatura prescritos a través de un equilibrio cuidadoso de los calentamientos de la reacción y otros colectores de calor o fuentes, así como una transferencia efectiva de calor a partir de las reacciones exotérmicas hacia las reacciones endotérmicas y otros colectores de calor. También se debe incrementar la seguridad reduciendo al mínimo el riesgo de una fuga de alta presión de un proceso inflamable o gas de producto hacia las corrientes que contienen oxígeno.
OBJETOS DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar un proceso para producir gas de síntesis a través de un proceso que utilice tanto una reacción exotérmica como una reacción endotérmica, en donde las reacciones tanto son equilibradas como diseñadas para generar un exceso de calor ligero. Un objeto más de la invención es controlar la reacción exotérmica de la reacción endotérmica controlando la velocidad de flujo, composición y/o presión de los gases provistos hacia las reacciones respectivas. Dichos gases incluyen un gas de alimentación que contiene oxígeno, gases combustibles, y vapor o dióxido de carbono. Un control adicional de la reacción endotérmica preferiblemente se logra a través del control de la actividad de catalizador localizada, así como el control local de la composición de gas de proceso. Aún más, otro objeto de la invención es permitir el control independiente de las reacciones exotérmica y endotérmica incorporando selectivamente tubos de refuerzo térmicamente conductores, los cuales separan las reacciones mientras permiten una transferencia eficiente de calor entre las reacciones dentro del reactor. Un objeto más de la invención es reducir al mínimo las temperaturas experimentadas por los sellos así como reducir al mínimo las diferencias de presiones para los sellos de lámina de tubo a tubo que aislan los espacios que contienen combustible dentro del interior del reactor. Esto se logra en una modalidad utilizando un sello de dos etapas y disponiendo un gas de compensación tal como vapor a una presión ligeramente más alta que la presión del lado de proceso entre los dos sellos. De esta manera, cualquier fuga a través del sello de primera etapa será vapor hacía el lado de proceso y a través del sello de segunda etapa será vapor hacia un gas que contiene oxígeno.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN En un aspecto, esta invención comprende un proceso para producir un gas de producto en un reactor que contiene por lo menos un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno. El elemento de membrana de transporte de ¡on selectivo de oxígeno tiene un lado de cátodo y un lado de ánodo. El proceso incluye los pasos de: (1) hacer fluir en una dirección un gas que contiene oxígeno a lo largo del lado cátodo y transportar una porción de penetración de oxígeno a través del elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno hacia el lado de ánodo; (2) aislar tanto el primer gas de proceso como el segundo gas de proceso del gas que contiene oxígeno, por lo que por lo menos el primer gas de proceso fluye a lo largo del lado de ánodo y el primer gas de proceso es capaz tanto de una reacción exotérmica con el oxígeno como de una reacción endotérmica con el segundo gas de proceso; (3) hacer reaccionar exotérmicamente la porción de oxígeno con el primer gas de proceso y hacer reaccionar endotérmicamente el primer gas de proceso con el segundo gas de proceso; y (4) controlar por lo menos una de la reacción exotérmica, la reacción endotérmica, y la transferencia de calor interna dentro del reactor para mantener la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dentro de los límites térmicos prescritos. En una modalidad preferida del primer aspecto, la reacción exotérmica es una reacción de oxidación parcial y la reacción endotérmica es una reacción de reformación de vapor. El gas que contiene oxígeno es aire, el primer gas del proceso es un hidrocarburo ligero tal como metano o una mezcla de hidrocarburos ligeros, hidrógeno y monóxido de carbono, y el segundo gas del proceso es ya sea vapor o una mezcla de vapor y dióxido de carbono El primer gas del proceso y el segundo gas del proceso se combinan para formar una mezcla gaseosa antes de las reacciones exotérmica y endotérmica En oíra modalidad preferida, por lo menos una porción del lado de ánodo del elemento de membrana está revestida con una capa de catalizador para acelerar la reacción de oxidación entre el oxígeno y un gas combustible en el ánodo. Un catalizador de lecho está colocado a lo largo de al menos una porción del lado del ánodo de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno. Este catalizador se selecciona para ser capaz de promover la reacción endotérmica entre el vapor, dióxido de carbono y el gas combustible. En una modalidad preferida alternativa, el segundo gas de proceso se separa del primer gas de proceso a través de un miembro impermeable al gas, térmicamente conductor. El primer gas de proceso fluye a través de un pasaje de oxidación y exotérmicamente reacciona con el oxígeno de penetración, mientras que el segundo gas del proceso y el primer gas de proceso adicional fluyen a través de un pasaje de reformación. Preferiblemente, el pasaje de reformación está empacado con un catalizador capaz de promover la reacción endotérmica. La actividad local del lecho de catalizador selectivamente está diseñada para producir un equilibrio positivo entre las temperaturas de reacción exotérmica y endotérmica alrededor de una porción periférica del lecho y un equilibrio neutro en el centro del lecho. Muy preferiblemente, la actividad de catalizador gradualmente se incrementa hacia la mitad y el extremo de salida del lecho a una velocidad decreciente. En un segundo aspecto de la invención, el proceso es utilizado para producir una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono (gas de síntesis) en un reactor que contiene por lo menos un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno. Este elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno tiene un lado de cátodo y un lado de ánodo. En este segundo aspecto, el proceso incluye los pasos de: (1) hacer fluir el aire en una primera dirección a lo largo del lado de cátodo y transportar una porción de penetración de oxígeno a través del elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno hacia el lado de ánodo; (2) hacer fluir una mezcla gaseosa de hidrocarburos ligeros, tales como metano y vapor, a lo largo del lado de ánodo; (3) hacer reaccionar exotérmicamente una primera porción de hidrocarburo con el oxígeno de penetración, mientras reacciona exotérmicamente en una segunda porción del hidrocarburo con el vapor; y (4) controlar al menos una de la reacción exotérmica, la reacción endotérmica y la transferencia de calor interna dentro del vector para mantener la membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno a una temperatura dentro de los límites prescritos. En una modalidad preferida de este proceso, el vapor es suministrado hacia el reactor a una presión más alta en la que el metano es suministrado hacia el reactor. Colocando apropiadamente las entradas de vapor y metano, las funciones del vapor como un regulador, evitan la fuga de metano inflamable del reactor y hacia los espacios que contienen oxígeno dentro del reactor. Típicamente, el vapor es suministrado hacía el reactor a una presión que es de 0.0703 a 1.406 kg/cm2m mayor que la presión en donde el metano es suministrado hacia el reactor. En un tercer aspecto de la invención, se proporciona un reactor que tiene una coraza hueca definiendo un recinto hermético. Una primera lámina de tubo está dispuesta dentro del recinto hermético y define una primera cámara y una segunda cámara. Dentro del recinto hermético está por lo menos un tubo de reacción. El tubo de reacción tiene una primera porción que está fijamente unida y substancial y herméticamente sellada a la primera lámina de tubo y se abre hacia la primera cámara, la porción restante estando axialmente no restringida y una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dispuesta entre el primer extremo y el segundo extremo del tubo de reacción. Además, el reactor incluye una primera entrada de gas de proceso para el suministro de un primer gas de proceso hacia el recinto hermético a una primera presión, una segunda entrada de gas de proceso para suministrar un segundo gas de proceso hacia el recinto hermético a una segunda presión, una entrada de aire para suministrar un gas que contiene oxígeno hacia el recinto hermético a una tercera presión, y una pluralidad de salidas para la remoción de un gas de producto y gases de subproducto de reacción del recinto hermético. En una modalidad preferida, la sección de reacción del reactor es efectiva para el transporte selectivo de oxígeno desde una superficie de cátodo interna del mismo hacia una superficie de ánodo externa del mismo y un catalizador de mejoramiento de oxidación está selectivamente dispuesto sobre la superficie externa y un catalizador de reformación alrededor de la superficie externa. El reactor incluye por lo menos un sello deslizante que acopla dicho tubo de reacción. El segundo extremo del tubo de reacción está unido a una lámina de tubo de flotación, la cual es parte de un múltiple interno y que está conectado a la coraza a través de fuelles flexibles o a través de un sello de tipo de prensaestopas. Alternativamente, los tubos individuales están unidos a la lámina de tubo de flotación a través de fuelles flexibles cortos. En otra modalidad preferida, el primer extremo del primer extremo de tubo de reacción está abierto cerca de la primera lámina de tubo y el segundo extremo está cerrado. Un tubo de alimentación se extiende entre el tubo de reacción del extremo abierto hacia una distancia separada del extremo cerrado, por lo que una superficie externa del tubo de alimentación y una superficie interna del tubo de reacción definen un primer anillo. Típicamente, el primer anillo tiene una anchura que es menor que la mitad del diámetro interno del tubo de alimentación. En otra modalidad preferida, un tubo de refuerzo térmicamente conductor está dispuesto alrededor de una superficie externa del tubo de reacción y una combinación de una superficie interna del tubo de refuerzo y una superficie externa del tubo de reacción definen un segundo anillo. Una combinación del refuerzo térmicamente conductor y la sección de reacción definen un pasaje de oxidación y un pasaje de reformación está dispuesto sobre un lado opuesto del refuerzo térmicamente conductor. Este pasaje de reformación puede ser empacado con un catalizador que es efectivo para promover una reacción de reformación de vapor endotérmica. En otra modalidad más alternativa, el reactor incluye un segundo tubo de reacción que se extiende a través del recinto hermético en una alineación generalmente paralela con el primer tubo de reacción. El segundo tubo de reacción también tiene un primer extremo unido a la primera lámina de tubo y fijado con relación a la coraza, un segundo extremo opuesto que es móvil con relación a la coraza y una segunda sección de reacción dispuesta entre los primero y segundo extremo. El segundo tubo de reacción está abierto en el primer extremo y cerrado en el segundo extremo opuesto. Un segundo tubo de alimentación está dispuesto dentro del segundo tubo de reacción. Una superficie externa del segundo tubo de alimentación y una superficie interna del tubo de reacción definen un tercer anillo. En una modalidad preferida, el primer tubo de reacción incluye una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno efectiva para el transporte selectivo de oxígeno a partir de un lado de cátodo externo hacia un lado de ánodo interno y el segundo tubo de reacción contiene un catalizador de reformación. En otra modalidad preferida, la segunda entrada de gas de proceso está dispuesta entre la primera lámina de tubo y la primera entrada de gas de proceso para ei suministro de un segundo gas de proceso seleccionado del grupo que consiste de dióxido de carbono, vapor y mezclas de los mismos, hacia el recinto hermético a una segunda presión que es mayor que la primera presión. Se puede colocar un restrictor de flujo entre la segunda entrada de gas de proceso y la primera entrada de gas de proceso.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetos, aspectos y ventajas serán presentados por aquellos expertos en la técnica a partir de ia siguiente descripción de las modalidades preferidas y dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1 ilustra una representación transversal de un reactor de acuerdo con una primera modalidad de la invención; La Figura 2 ilustra una representación transversal de un tubo de reacción mixto para utilizarse con reactores de la invención; La Figura 3 ilustra una representación transversal de una superficie colindante deslizable para utilizarse con los reactores de la invención; La Figura 4 ilustra una representación transversal de una superficie colindante deslizable alternativa; La Figura 5 ilustra una representación transversal de un reactor de acuerdo con una segunda modalidad de la invención; La Figura 6 ilustra una representación transversal de un reactor de acuerdo con una tercera modalidad de la invención; Las Figuras 7-10 esquemáticamente ilustran diferentes patrones del grupo gaseoso útiles con el reactor de la Figura 6; La Figura 11 ilustra una representación transversal de un reactor de acuerdo con una cuarta modalidad de la invención; La Figura 12 ilustra una representación transversal de un reactor de acuerdo con una quinta modalidad de la invención; La Figura 13 ilustra gráficamente las composiciones previstas de los gases de proceso y los gases de producto sobre la longitud del lado de ánodo del reactor ilustrado en la Figura 1; y La Figura 14 ilustra gráficamente las temperaturas previstas como una función de la posición a lo largo de la longitud de un tubo de reacción en el reactor ¡lustrado en la Figura 1.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención puede lograrse proporcionando un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno que transporta oxígeno a partir de un gas que contiene oxígeno a través del elemento de membrana. El oxígeno exotérmicamente reacciona con un primer gas de proceso en una reacción de oxidación parcial isotérmica. El calor generado por la reacción exotérmica es suministrado hacia una reacción endotérmica tal como una reacción de reformación de vapor. En modalidades preferidas, el gas de proceso es gas natural metano, o un hidrocarburo ligero similar, o una mezcla de hidrocarburos ligeros, hidrógeno y monóxido de carbono, y tanto la reacción de oxidación parcial como la reacción de reformación de vapor producen gas de síntesis. La reacción exotérmica y la reacción endotérmica ambas son equilibradas o se ajustan para proporcionar un ligero exceso de calor. Para facilitar la tarea de sellado de los sellos del reactor, un gas de compensación de temperatura relativamente baja de preferencia está dispuesto entre los sellos del reactor y los gases de proceso y de producto. El gas de compensación es un constituyente relativamente no peligroso de las reacciones, tal como vapor o dióxido de carbono. La Figura 1 ilustra una representación transversal de un reactor 10 para producir un gas de producto de acuerdo con una primera modalidad de la invención. Mientras que típicamente el gas de producto es un gas de síntesis, también se pueden producir otros gases de producto, tales como hidrocarburos insaturados, a través de los procesos y reactores descritos más adelante. La invención es igualmente aplicable a cualquier otro proceso que implique una reacción de oxidación exotérmica que requiera de oxígeno y una reacción endotérmica tal como deshidrogenación oxidante de metano y otros hidrocarburos ligeros a hidrocarburos insaturados. Ya que el reactor 10 está ilustrado como un reactor de tipo de tubo y coraza, otros reactores conocidos en la técnica también pueden ser manejables para el proceso de la invención. El reactor 10 tiene un cuerpo cilindrico 12 que está térmicamente aislado del interior de alta temperatura del reactor a través de un aislamiento 12a y, por lo tanto, puede formarse a partir de materiales ordinarios de construcción tales como acero y acero inoxidable. Una primera tapa extrema o cabeza 14 y una segunda tapa extrema o cabeza 16 están herméticamente selladas al cuerpo 12 para definir un recinto hueco y preferiblemente también están aisladas térmicamente a través del aislamiento 14a y 16a. Una primera lámina de tubo 18 está dispuesta dentro del recinto hermético y define una primera cámara 19 y una segunda cámara 20. Una segunda lámina de tubo 21 puede estar dispuesta en un segundo extremo del recinto hermético para definir una tercera cámara 22a. Tanto en la primera lámina de tubo 18 como la segunda lámina de tubo 21 están unidas al reactor 10, tal como mediante soldadura a la coraza 12, cabezas 14 y 16, o mediante pernos en pestañas 23. Una primera lámina de tubo de restricción de flujo o deflector 24 está fijamente unido al reactor 10 tal como mediante soldadura. La primera lámina de tubo de restricción de flujo 24 está dispuesta entre la primera lámina de tubo 18 y una primera entrada de gas de proceso 26. Una lámina de tubo de flotación 28 está dispuesta por arriba de la segunda lámina de tubo 21 dentro del espacio 22a y tiene una cabeza 80 unida a la misma para formar un espacio de múltiple 22 conectado a la entrada de gas que contiene oxígeno 30. La lámina de tubo de flotación 21 se puede mover con relación a la coraza de reactor 12 en virtud de una unión de fuelle 32 interconectando de manera sellada la cabeza 14 a la cabeza 80. Alternativamente, un sello deslizante del tipo de prensaestopas puede ser empleado entre una tubería de entrada, conectada a la cabeza 80, y la entrada 30 en una forma similar al sello deslizable del tubo 34 hacia la lámina de tubo 21 y el manguito 52 en la Figura 3, como se describe más adelante. Por lo menos un tubo de reacción 34 se extiende axíalmente a través de la segunda cámara 20. Un primer extremo 36 del tubo de reacción 34 está fijamente unido y herméticamente sellado a la primera lámina de tubo 18. Como resultado, el flujo de gas entre la segunda cámara 20 y la primera cámara 19 es a través del único agujero del tubo de reacción 34. Un segundo extremo opuesto 37 del tubo de reacción está axialmente no restringido. El segundo extremo 33 puede ser de flotación libre como mejor se ¡lustra en la Figura 5, o estar unido y sellado a la lámina de tubo de flotación 28, Figura 1. Opcionalmente, se pueden utilizar fuelles relativamente cortos para conectar el segundo extremo 37 a la lámina de tubo 28 para permitir ligeras diferencias en expansiones de tubo individual tal como se muestra en la Figura 1A de la patente de E.U.A. No.5, 567, 398 de Ruhl y otros. El fuelle flexible 32 es integral con la lámina de tubo de flotación 28 y la cabeza 80 formando un múltiple para dirigir un gas que contiene oxígeno, tal como aire, oxígeno puro, o cualquier otra corriente de gas conteniendo más de 1%, en volumen, de oxígeno, hacia una pluralidad de tubos de reacción 34.
Los tubos de reacción 34 además contienen por lo menos una primera sección de transferencia de calor 39, y preferiblemente también incluyen una segunda sección de transferencia de calor 41. Los tubos de reacción 34 además incluyen un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno 40. El elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno 40 puede formarse ya sea como un óxido sólido de pares tensa mezclado o un conductor de envase doble o, preferiblemente, como un óxido sólido de película delgada compuesto o un conductor de fase doble que es soportado sobre un substrato poroso. Preferencialmente, la película de membrana solamente expande la zona de reacción y una porción menor de la zona de transferencia de calor con la longitud restante del soporte poroso estando revestida con un revestimiento de sello impermeable al gas metálico, tal como níquel. El substrato poroso de preferencia se hace a partir de una aleación de metal que contiene níquel a alta temperatura tal como la aleación Iconel 200 o Haynes 230, o un material cerámica de resistencia más alta tal como alúmina, ceria (óxido de cerio) o una mezcla de los mismos con una capa porosa intermedia entre la membrana de película delgada y el substrato poroso para unir la incompatibilidad química y mecánica entre el substrato y la membrana. El uso de una capa conductora compuesta densa sobre una capa de transición porosa intermedia en un soporte poroso se describe, por ejemplo, en la patente de E. U A 5.240.480 de Thorogood y otros Preferencialmente, la película densa está sobre un lado de cátodo de la película de membrana. Se prefieren tubos compuestos, ya que la película de membrana delgada permite flujos más altos de oxígeno, el tubo puede tener una integridad más alta, ya que la membrana de película delgada es menos sensible a tensiones composicionales pasajeras, y los tubos compuestos utilizan menos material de membrana costoso que el que utilizan los tubos densos. El soporte poroso sobre el lado de proceso también facilita el problema de estabilidad creado por la presión de oxígeno parcial baja en el lado de ánodo, ya que la resistencia difuncional del soporte poroso para transportar el gas tenderá a incrementar la presión parcial del oxígeno en la superficie colindante del soporte de membrana. El elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno tiene un espesor nominal de menos de 5000 mieras y de preferencia menor que 1000 mieras de espesor y para la modalidad compuesta menos de 100 mieras. El elemento de membrana tiene la capacidad de transportar iones de oxígeno y electrones a la presión parcial del oxígeno frecuente en la escala de temperatura de 450°C a aproximadamente 1200°C cuando se mantiene una diferencia potencial química a través de la superficie de membrana de transporte de ion ocasionada manteniendo una relación positiva de presiones parciales de oxígeno a través de la membrana de transporte de ion. Esta relación positiva de preferencia se obtiene haciendo reaccionar oxígeno transportado con un gas de proceso consumidos de oxígeno. La conductividad del ion de oxígeno típicamente está en la escala de entre 0.01 y 100 S/CM, en donde ("Siemens") es ohms (1/O) recíprocos. Los materiales adecuados para la membrana de transporte de ion incluyen perovsquitas conductoras compuestas y combinaciones de óxido de metal-metal de fase doble como se describe en las patentes de E.U.A. Nos. 5,702,959 (Mazanec y otros), 5,712,220 (Carolan y otros) y 5,733,435 (Prasad y otros), las cuales se incorporan aquí por referencia en su totalidad. Ya que el ambiente reactivo en el lado de ánodo de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno típicamente crea presiones de oxígeno parciales muy bajas, las perovsquitas que contienen cromo listadas en las patentes citadas pueden ser materiales preferidos ya que tienden a ser estables en el ambiente de presión de oxígeno parcial bajo. Las perovsquitas que contienen cromo típicamente no se descomponen a presiones de oxígeno parcial muy bajas. Opcionalmente, se puede agregar una capa de catalizador porosa delgada, posiblemente hecha del mismo material de perovsquita, a uno o ambos lados del elemento de membrana de transporte de oxígeno para mejorar el intercambio de superficie de oxígeno y las reacciones químicas sobre la superficie. Alternativamente, las capas de superficie del elemento de membrana de transporte de ¡on selectivo o de oxígeno pueden ser mezcladas, por ejemplo, con cobalto para mejorar la cinética de intercambio de superficie. El primer extremo 36 del tubo de reacción 34 está unido fijamente a la primera lámina de tubo 18. Cualquier método de unión que sea compatible con el material de tubo en el área de sello y proporcione un sello rígido, hermético, puede ser utilizado. En una disposición preferida como se ¡lustra en la Figura 2, un primer extremo 42 de un tubo de reacción de cerámica 34 puede ser metalizado y unido a un manguito metálico 44 a través de soldadura, que a su vez se une a una extensión de tubo metálico 46, también a través de soldadura, y en donde la extensión metálica se une y se sella a la lámina de tubo 18 a través de expansión (rodadura) o soldadura. Un revestimiento metalizado adecuado podría comprender níquel con un espesor menor que 50 mieras. Un material adecuado para la extensión de tubo metálico 46 es Incalloy 200 o la aleación Haynes 239. El ensamble de tubo típicamente es soldado a una temperatura de aproximadamente 1000°C. En un aspecto preferido, las extensiones metálicas extienden las porciones mayores de las secciones de transferencia de calor 39 y 40 hasta en donde las temperaturas locales alcanzan un valor de aproximadamente 700 a 800°C para explotar las mejores características de transferencia de calor y los costos más bajos de metales. Este tipo de manguito metálico 44 se describe en la solicitud de patente de E. U. A. comúnmente cedida serie No. 08/848,199, intitulada "Integrated solid electrolyte ionic conductor separator-cooler" de Gottzmann y otros, presentada el 29 de abril de 1997 e incorporada aquí por referencia. Si se utiliza un tubo compuesto con un substrato metálico, las secciones extremas del tubo podrían ser revestidas con metal en lugar de un material de membrana y el extremo del tubo directamente soldado a la lámina de tubo 18. Con referencia a la Figura 1, los tubos de reacción 34 se extienden a través de la primera lámina de tubo de restricción de flujo 24 y la segunda lámina de tubo 21. Para compensar los cambios en la dimensión axial de los tubos de reacción 34 debido a cambios de temperatura y de composición, sellos deslizantes 48 y 50 sellan los tubos de reacción 34 a las láminas de tubo 21 y 24. Las Figuras 3 y 4 ilustran sellos deslizantes ilustrativos. Haciendo referencia a la Figura 3, un sello de anillo con forma de O 50, o alternativamente, una o más envolturas o anillos de un sello de enganche trenzado o torcido, es insertado en un agujero ciego formado en la lámina de tubo 21. Un manguito 52 compresiblemente acopla el anillo con forma de O 50 contra las paredes externas 54 del tubo de reacción 34 para sellar deslizablemente el tubo 34 con relación a la lámina de tubo 21 y el manguito 52. Se pueden utilizar roscas de interacoplamiento 56 para aplicar la fuerza compresora o, alternativamente, una pestaña de camisa 58 puede ser compres'oramente cargada contra un componente reactor (no mostrado) o asegurado a la lámina 21 a través del perno. Alternativamente, como se muestra en la Figura 4, el anillo con forma de O 50 es instalado en una ranura 60 apropiadamente dimensionada en la lámina de tubo 21. El sello entre la lámina de tubo 21 y el tubo de reacción 34 se logra a través de precompresión del anillo don forma de O 50 dando como resultado la interferencia entre el diámetro interno del anillo con forma de O y el diámetro de la pared externa de tubo de reacción 54. Las áreas de sello preferiblemente son mantenidas a temperaturas moderadas de entre aproximadamente 250 y 650°C. Estas temperaturas relativamente bajas, y el requerimiento de que los sellos deslizantes tengan que sellar solamente contra un diferencia de presión pequeña y el hecho de que los regímenes de fuga moderados pueden ser tolerados por el proceso de la invención crea grados considerables de libertad en la selección de sello. Los anillos con forma de O sellados deslizantes adecuados para los sellos 48 y 50 incluyen fibras de cerámicas prensadas como se describe más completamente en la patente de E. U. A. No. 5,082,293 de Steinetz y otros, que se incorpora aquí por referencia en su totalidad, anillos de presión de acero, sellos de grafito expandido, empaque de enganche Grafoil comprimido (GRAFOIL es una marca comercial de UCAR International), elastómeros de alta temperatura y materiales de fluorocarburo. Haciendo referencia de regreso a la Figura 1, el reactor 10 además incluye un lecho de catalizador 62 soportado por una pantalla porosa 64 alrededor de la sección de reacción 65 del elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno. El catalizador puede consistir de perlas o alternativamente estar montado sobre una estructura de monolito de cerámica. El catalizador contenido dentro del lecho de catalizador 62 es efectivo para mejorar la reformación de vapor de metano a gas de síntesis, tal como níquel soportado sobre alúmina. El catalizador puede ser cargado para actividad uniforme a través del lecho de catalizador 62, o, como se describe más adelante preferiblemente está configurado para proporcionar un equilibrio neutro entre las reacciones endotérmica y exotérmica en la porción media del lecho y equilibrios ligeramente exotérmicos cerca de la periferia o extremo del lecho de catalizador 62. Se proporcionan puertos 66 para la remoción del catalizador gastado y el remplazo con material fresco.
Para incrementar la seguridad del reactor, un primer gas de compensación 90, también denominado en la presente como un segundo gas de proceso, es introducido al reactor 10 a través de una primera entrada de gas de compensación 72 dispuesta entre la primera entrada de gas de proceso 26 y la primera lámina de tubo 18. El primer gas de compensación 90 se selecciona para ser un contribuyente no inflamable, no peligroso para que ocurran las reacciones químicas dentro del reactor. Ya que se puede utilizar cualquier dióxido de carbono o vapor, se prefiere el vapor, ya que es fácilmente generado a la presión requerida y es necesario para la mayoría de las aplicaciones de reformación. El vapor que es introducido a través de la primera entrada de gas de compensación 72 está a una presión que es ligeramente mayor que la presión bajo la cual el gas de combustible es introducido a través de la entrada de gas de proceso 26. Típicamente, el diferencial de presión entre el vapor y el gas de proceso será de entre 0.0703 kg/cm m y 1.406 kg/cm m, muy preferiblemente de entre 0.0703 y 0.703 kg/cm2m. El vapor sirve como un regulador para los sellos deslizables 48. Ya que el diferencial de presión a través del sello es mucho menor si el diferencial estuviera entre la presión de gas de proceso y presión atmosférica, las demandas de servicio en el sello son modestas. Además, ya que la alta presión está sobre un lado exterior, cualquier fuga alrededor del anillo con forma de O simplemente admitirá vapor adicional al reactor y la fuga potencialmente peligrosa de gas de proceso o de producto hacia los espacios que contienen oxígeno o fuera del reactor, es evitada. Se pueden tolerar fugas substanciales alrededor de los sellos 48, ya que el vapor también es requerido por el proceso de reformación. En otras palabras, preferiblemente se establece un sello de tapa doble por el sello substancialmente hermético, fijo del primer extremo 36 a la lámina de tubo 18 y el sello deslizable 48 en la lámina de tubo 24, con la separación (cámara 19) entre ellos recibiendo el gas de compensación 90 a través de la entrada 72. Una cantidad de vapor se proporciona al lecho de catalizador 62 para la reacción de reformación de vapor. El vapor entra a la zona de reacción y el lecho de catalizador 62 a través de orificios de restricción de flujo 74, los cuales están dimensionados para proveer una caída de presión de 0.0703 a 0.703 kg/cm2m a los volúmenes de vapor requeridos prevalecientes. Ya que la velocidad de la reacción de reformación, y, por lo tanto, el calor requerido para la reformación, dependen del volumen del vapor disponible, el equilibrio térmico del reactor 10 puede ser ajustado variando la cantidad y presión del vapor introducido a través de la primera entrada de gas de compensación 72. Una segunda entrada de gas de compensación 76 preferiblemente está dispuesta entre la entrada de gas que contiene oxígeno 30 y la segunda lámina de tubo 21. La función del segundo gas de compensación, también preferiblemente vapor, es similar a aquella del primer gas de compensación descrito anteriormente. El segundo gas de compensación es introducido al reactor 10 a través de la segunda entrada de gas de compensación 76 a una presión que es ligeramente mayor que la presión del gas de producto que se está removiendo a través de la salida de gas de producto 70. Típicamente, el diferencial de presión entre el gas de producto y el segundo gas de compensación es de aproximadamente 0.703 a aproximadamente 1.406 kg/cm2m. El segundo gas de compensación reduce la presión diferencial aplicada a los sellos deslizantes 50 entre la segunda lámina de tubo 21 y el tubo de reacción 34 y también reduce el riesgo de fuga del gas de producto hacia el espacio de múltiple de gas que contiene oxígeno 22 o el ambiente a través de la entrada de conexión de sello 30. Cuando el reactor 10 es operado, un gas que contiene oxígeno 38 fluye en una primera dirección, como se representa por las flechas de flujo 77, a través de la entrada de gas que contiene oxígeno 30. Un múltiple 22 formado en parte por la lámina de tubo de flotación 28 y la cabeza 80 dirige el gas que contiene oxígeno 30 hacia por lo menos uno y preferiblemente una pluralidad de tubos de reacción 34. En el elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno 40, el gas que contiene oxígeno fluye a lo largo del lado de cátodo 82. Una porción de penetración 84 del oxígeno contenido dentro del gas que contiene oxígeno 38 es transportada hacia el lado de ánodo 86. Una porción de retención restante del oxígeno es descargada como gas agotado de oxígeno 87. Un primer gas de proceso 88 es suministrado al reactor 10 a través de la entrada de gas de proceso 26 y un segundo gas de proceso es suministrado al reactor 10 a través del puerto de gas de compensación 72. El primer gas de proceso se selecciona para ser capaz tanto de una reacción isotérmica con oxígeno como una reacción endotérmica con el segundo gas de proceso. Para la producción de gas de síntesis como gas de producto 71, el primer gas de proceso preferiblemente se selecciona del grupo que consiste de gas natural, metano, hidrocarburos ligeros, así como mezclas de los mismos. Algo de hidrógeno y monóxido de carbono también puede estar presente, especialmente si algo del gas de producto es recirculado a través de una porción sin reactor. Una modalidad que involucra un gas de grado bajo como el primer gas de proceso se describe a continuación en la Figura 10. El segundo gas de proceso preferiblemente se selecciona del grupo que consiste de vapor, dióxido de carbono y mezclas de los mismos. La reacción exotérmica es oxidación u oxidación parcial y la reacción endotérmica es reformación de vapor. Para que el segundo gas de proceso 90 funcione apropiadamente como un regulador entre el primer gas de proceso 88 y el espacio que contiene oxígeno 20, la presión del segundo gas de proceso 90 es mayor que la presión del primer gas de proceso 88. Para facilitar los requerimientos encontrados en el sello deslizante 24, el diferencial de presión es de preferencia de aproximadamente 0.0703 a aproximadamente 1.406 kg/cm2m. El diferencial de presión deseado puede ser mantenido controlando la presión de entrada del segundo gas de proceso 90 y controlando las dimensiones de los orificios de restricción de flujo 74. El segundo gas de proceso 90 fluye a través de ios orificios de restricción de flujo 74 y se mezcla con el primer gas de proceso 88 formando una mezcla gaseosa que atraviesa los deflectores 92 y se calienta en forma de recuperación por el aire agota de oxígeno 87 fluyendo a través de la sección 39. Los deflectores 92 preferiblemente están dispuestos substancialmente perpendiculares a los tubos de reacción 34, con un hueco anular para recibir deslizablemente cada tubo 34, y son efectivos para dirigir los gases del lado de la coraza contra una superficie externa de la sección de transferencia de calor para mejorar la transferencia térmica. Preferiblemente, también se emplean deflectores para dirigir los gases contra una superficie externa de la sección de reacción para mejorar el contacto uniforme entre los gases del lado de coraza y el catalizador de reformación. La mezcla gaseosa precalentada entra al lecho de catalizador 62, en donde una porción del primer gas del proceso 88 reacciona con el vapor en la reacción de reformación de vapor. Otra porción del primer gas de proceso 88 reacciona con la porción de penetración de oxígeno 84 en una reacción de oxidación, preferiblemente una reacción de oxidación parcial. La reacción de reformación de vapor es endotérmica y la reacción de oxidación parcial es exotérmica. Estas dos reacciones son reguladas controlando la velocidad de flujo de los dos gases de proceso, así como a través del control de la velocidad de flujo del gas que contiene oxígeno suministrado al reactor. El equilibrio de calor interno del reactor 10 también puede ser controlado, tal como separando las reacciones de oxidación parcial y de reformación a través del uso de refuerzos térmicamente conductores como se describe más adelante. El control de por lo menos una reacción exotérmica, la reacción endotérmica, y la transferencia de calor interna del reactor se utiliza para mantener la temperatura de membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno a una temperatura dentro de los límites térmicos prescritos. Preferiblemente, la temperatura se mantiene de entre 700 y 1050°C. La cantidad de calor generado por la reacción exotérmica puede ser equilibrada con la cantidad de calor requerido por la reacción endotérmica o, muy preferiblemente, las reacciones son diseñadas para generar un ligero exceso de calor.
Una porción del exceso de calor se utiliza para proporcionar calor al aire que contiene oxígeno 38. Se utiliza una porción adicional para proporcionar calor a los gases de proceso de entrada 88 y 72. El resto del exceso de calor se utiliza para compensar la fuga de calor hacia el ambiente del reactor. El calor agregado a las corrientes de entrada permiten mantener las diferencias de temperatura adecuadas para una transferencia de calor efectiva entre las corrientes calientes que salen y las corrientes frías que entran. Los espacios de los deflectores 92 y 93 sobre el lado de coraza y las dimensiones del tubo interno se seleccionan para producir coeficientes de transferencia de calor convectivo adecuados para la transferencia de calor de recuperación en la zona de calentamiento 91 y la zona de enfriamiento 96. Un número de medios están disponibles para controlar las reacciones endotérmicas y exotérmicas. La reacción endotérmica será afectada por el vapor y el contenido de CO2 con relación al contenido del combustible, a través de las presiones parciales de los reactivos locales y productos de reacción, actividad de catalizador, temperatura local y, a un grado menor, la presión. La reacción exotérmica será afectada por la presión parcial de combustible local y especies de combustible, así como por la presión del gas que contiene oxígeno y la velocidad de flujo y la temperatura e la membrana local. Para incrementar la velocidad de reacción endotérmica local, se puede inyectar directamente vapor adicional a las porciones seleccionadas del reactor 10, tal como hacia una porción central del lecho de catalizador 62. Alternativamente, o en combinación con vapor adicional, la actividad catalítica del lecho de catalizador 62 puede ser graduada, porciones del lecho teniendo una velocidad mayor de reactividad para favorecer la reacción de reformación de vapor endotérmica. Típicamente, la actividad de catalizador debe ser baja en la escala a la sección de reacción, en donde la alta fuerza de impulsión, en la forma de presiones parciales de reactivo alto y productos de reacción bajos, favorecen las reacciones endotérmicas y después se incrementan, preferiblemente a una velocidad decreciente, hacia el centro y el otro, el extremo de salida del lecho a medida que la fuerza de impulsión para la reacción se reduce. La incorporación de medios internos para calentar las corrientes que entran, tal como la sección pasada 39, y corrientes que salen de enfriamiento tales como la sección pasada 41, elimina la necesidad de cambiadores térmicos de alta temperatura adicionales, costosos. Ya que la Figura 1 ilustra un contraflujo axial de gases a través del lecho de catalizadores 62, se puede lograr un contraflujo cruzado a través de deflectores (no mostrado) provistos dentro del lecho de catalizador 62 para promover el mezclado y mitigar los efectos de la mala distribución del flujo y velocidades de transporte de oxígeno no uniformes entre los tubos individuales. Típicamente, los primero y segundo gases de procesamiento serán suministrados al reactor a una temperatura de entre aproximadamente 200°C y 500°C y el gas que contiene oxígeno a una temperatura de entre aproximadamente 150°C y 400°C. Esto permite que los sellos deslizantes 48 sean mantenidos a una temperatura relativamente moderada de entre aproximadamente 250°C y 650°C. Con el flujo contracorriente de gases de proceso y el gas que contiene oxígeno, es posible reducir la temperatura de las corrientes que salen a la escala de entre aproximadamente 300 y 700°C, otra vez facilitando la selección del sello 50 así como la selección del material para secciones de recipiente que contiene presión tales como láminas de tubo y cabezas que ahora operan en un ambiente de temperatura más moderada. El gas suministrado a través de la segunda entrada de gas de compensación 76 preferiblemente también es vapor o dióxido de carbono, sirviendo como algo del segundo gas de proceso adicional, y de preferencia una presión mayor que la presión del gas de producto 71. Preferiblemente, este diferencial de presión es de entre 0.0703 y 1.406 kg/cm2m. Alternativamente, se puede suministrar nitrógeno, u otro gas inerte, a través de la segunda entrada de gas de compensación 76. En este caso, la presión del segundo gas de compensación es menor que la presión del producto de gas. Preferiblemente, el diferencial de presión otra vez es de entre 0.0703 y 1.406 kg/cm2m. La reducción de la presión del segundo gas de compensación, cuando no es un constituyente de la reacción, evita la contaminación del reactor con el gas de compensación, pero también reduce la severidad del trabajo para los sellos deslizantes 48. Un reactor alternativo 100 se ¡lustra en la Figura 5. Un número de elementos del reactor 100 son análogos a los componentes del reactor 10 descrito anteriormente. Estos componentes análogos se presentan con números de referencia similares y la descripción anterior está destinada a ser incorporada aquí. El reactor 100 incluye uno o más tubos de reacción 34 que se abren en un primer extremo 102 y se cierran en un segundo extremo 104. El gas que contiene oxígeno 38, es decir preferiblemente aire, es suministrado al reactor a través de una entrada de gas que contiene oxígeno 30. El gas que contiene oxígeno 38 fluye hacia un tubo de alimentación 106 que está rodeado por el tubo de reacción 34. El gas que contiene oxígeno 38 fluye desde un primer extremo 108 hacia un segundo extremo 110 del tubo de alimentación 106. El segundo extremo 110 está separado del extremo cerrado 104 del tubo de reacción 34, de manera que el gas que contiene oxígeno 38 fluye hacia un primer anillo 112 que está definido por una superficie externa 113 del tubo de alimentación 106 y una superficie interna (lado de cátodo 82) del tubo de reacción 34 Preferiblemente, el diámetro interno del tubo de alimentación 106 es por lo menos del doble de anchura del primer anillo 112. Este espacio reduce al mínimo la transferencia relativa de calor que fluye desde los gases en el primer anillo hacia los gases que fluyen dentro del tubo de alimentación. Por ejemplo, el diámetro interno del tubo de alimentación puede ser del orden de 1 27 cm, la anchura del primer anillo del orden de 0.158 cm y, tomando en cuenta los espesores de anchura de pared de los tubos de alimentación y de reacción, el diámetro externo del tubo de reacción preferiblemente es del orden de 1.90 cm a 2.22 cm. El flujo de gas en el tubo de alimentación 106 y el primer anillo típicamente son laminares o en el régimen de transición de laminar a turbulento. En el flujo laminar, los coeficientes de película competitiva son inversamente proporcionales a los diámetros hidráulicos, los cuales son el diámetro interno del tubo de alimentación y absolutamente el doble del claro del primer anillo. Se puede mostrar que para las condiciones anteriores, la relación de coeficientes de película para la transferencia de calor del aire hacia gases de proceso que fluyen en el anillo 112 a aquel para la transferencia de calor desde el aire en el anillo hacia el aire en el tubo de alimentación es de preferencia de aproximadamente 5 a 10, muy preferiblemente alrededor de 8. Con la modalidad precedente, una porción de penetración 84 del oxígeno contenido dentro del gas que contiene oxígeno 38 es transportado a través de la membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno 40 hacia el lado de ánodo 86 y se utiliza en la reacción de oxidación parcial isotérmica. La porción de retención 87 es descargada a través de la salida de aire 68. Los tubos de alimentación 106 están fijamente unidos a una primera lámina de tubo 114 y los extremos abiertos del tubo de reacción 34 están fijamente unidos a una segunda lámina de tubo 116. Una tercera lámina de tubo 118 incluye un tubo deslizante 48 entre los tubos de reacción 34 y la lámina de tubo 118 y también contiene orificios de restricción de flujo 74. Un primer gas de proceso 88, preferiblemente gas natural, es introducido al reactor 100 a través de la entrada de gas de proceso 26. Un segundo gas de proceso 90, preferiblemente vapor, es introducido al reactor entre las láminas de tubo 118 y 116. El segundo gas de proceso 90 está a una presión que es mayor que la presión del primer gas de proceso 88, reduciendo el riesgo de que un primer gas de proceso inflamable se fugue hacia una corriente que contiene gas oxígeno. De preferencia, el diferencial de presión es relativamente pequeño, de entre 0.0703 y 1.406 kg/cm2m, para reducir al mínimo las demandas de servicio en el sello 48. El segundo gas de proceso 90 fluye a través de los orificios de restricción de flujo 74 y se combina con el primer gas de proceso 88. La mezcla gaseosa pasa a través de los primeros deflectores 92 y hacia el lecho de catalizador 62, en donde una porción del gas de proceso catalíticamente reacciona con ei vapor en una reacción de reformación endotérmica, mientras que una porción mayor del resto del gas de proceso reacciona exotérmicamente con la porción de penetración de oxígeno 84. Un gas de producto 71 es recuperado a través de la salida de gas de producto 70. El reactor 100 tiene un número de ventajas cuando se compara con el reactor 10 de la Figura 1. El reactor 100 requiere una lámina de tubo menos y un juego de sellos deslizantes menos. Los sellos deslizantes retenidos 48 pueden estar muy sueltos, ya que funcionan más como un restrictor de flujo que como barreras o sellos de aislamientos, el flujo de proceso del gas de compensación (vapor) estando en la misma dirección como aquella del flujo de fuga. El extremo cerrado 104 dei tubo de reacción 34 no es restringido y de esta manera evita posibles tensiones de flexión de la desalineación y fuerzas axiales debido a fricción. Una desventaja del reactor 100 cuando se compara con el reactor 10 es que el enfriamiento del gas de producto 70 es menos eficiente debido al gas que contiene oxígeno 38 que ha sido ligeramente calentado mientras atraviesa el diámetro interno del tubo de alimentación 106. Esto da como resultado que el gas de producto esté ligeramente más caliente y el aire agotado de oxígeno 94 esté ligeramente más frío cuando sale del reactor 100 cuando se compara con las corrientes que salen del reactor de gas de síntesis 10. Un aspecto común del reactor 10, Figura 1, y el reactor 100, Figura 5, es que los reactivos y los productos de reacción de la reacción exotérmica y la reacción endotérmica se mezclan. Ya que esta disposición optimiza la transferencia de calor de la reacción exotérmica a la reacción endotérmica, se puede tener control y equilibrio de las dos reacciones que puede ser algo difícil. Esta dificultad se alivia separando el espacio de reacción endotérmica del espacio de reacción exotérmica, mientras se mantiene un buen acoplamiento de transferencia de calor. Esta separación se logra, en una modalidad de la invención, a través del uso del reactor 120 ilustrado en la representación transversal en la Figura 6. Un gas que contiene oxígeno 38, preferiblemente aire, es suministrado al reactor 120 a través de la entrada de gas que contiene oxígeno 30. El gas que contiene oxígeno 38 es suministrado a un primer extremo 108 del tubo de gas de alimentación 106. Aunque en la Figura 6 se ilustra un tubo de gas de alimentación individual en disposición con otros tubos tal como se describe en las Figuras 7-10 más adelante, se incorporan típicamente tubos de gas de alimentación múltiples igualmente dispuestos con otros tubos, dentro del mismo reactor. El primer extremo 108 está fijamente unido a la primera lámina de tubo 114. Un tubo de reacción 34 rodea el tubo de alimentación 106. El tubo de reacción 34 tiene un extremo abierto 102 fijamente unido a la segunda lámina de tubo 116, y un extremo cerrado 104 y se extiende a través de la tercera lámina de tubo 118 con un sello deslizante 48 entre el tubo 34 y la lámina de tubo 118. Un tubo de refuerzo 122 rodea por lo menos aquella porción del tubo de reacción 34 dispuesta dentro del lecho de catalizador 62. El tubo de refuerzo 122 está formado de un material impermeable al gas, térmicamente conductor, tal como acero inoxidable, Inconel 200, o una cerámica adecuada. La pared interna 124 del tubo de refuerzo 122 y una pared externa (ánodo) 86 del tubo de reacción 34 define un segundo anillo 126. Durante operación, el gas que contiene oxígeno 38 fluye, en una primera dirección, a través del tubo de alimentación 106. En el 41 que no es penetrada por el gas, preferiblemente una cuarta lámina de tubo 129 La mezcla gaseosa 142, que opcionalmente puede incluir dióxido de carbono y un producto recirculado, se calienta de manera de recuperación a través de transferencia de calor a partir del gas de retención que contiene oxígeno que fluye en el anillo 128 La reformación de vapor entonces ocurre en el lecho de catalizador 62 generando una segunda porción de gas reaccionado 136 de una relación de hidrógeno a monóxido de carbono mayor que la primera corriente de producto 130 La segunda porción de gas reaccionado 136 se combina con la primera porción de gas reaccionado 130 para la recuperación del gas de síntesis 71 a través de la salida de gas de producto 70 El reactor 120 ilustrado en la Figura 6 proporciona una flexibilidad considerable en el control de reacciones respectivas, así como en el ajuste de la composición del producto La reacción de oxidación parcial y la reacción de reformación están físicamente separadas, mientras se mantiene un acoplamiento de transferencia de calor cercano entre las dos reacciones Esto permite el control independiente y mejor de las reacciones Las ventajas adicionales de separar las reacciones incluyen la posibilidad de impulsar las reacciones de oxidación más allá de la oxidación parcial para proporcionar el calor necesario para generar relaciones de H2/CO más altas sin sacrificar el control de temperatura de la membrana de transporte de oxígeno y sin la generación excesiva de Nox, ya que el nitrógeno es excluido del lado de reacción, y preferiblemente 42 todas las corrientes de fluido son mantenidas a temperaturas por abajo de 1100°C. Las Figuras 7 a 10 ilustran diferentes disposiciones de flujo gaseoso para utilizarse con el reactor 120 de la Figura 6. En cada modalidad, se encuentra un pasaje de oxidación, una pared del cual es el lado de ánodo 86 de la membrana de transporte selectiva de oxígeno 34a y la otra pared del cual es un tubo de alimentación 106a. Las reacciones de oxidación ocurren sobre la superficie del ánodo y el calor resultante de la reacción proporciona la energía requerida por la reacción requerida de la reformación de vapor en el lecho de catalizador 62. Si el equilibrio térmico total es exotérmico, el incremento de temperatura del gas que contiene oxígeno y las corrientes de proceso que fluyen a lo largo del tubo de reacción 34 se incrementa requiriendo que estas corrientes entren a una temperatura más baja para mantener las temperaturas de operación requeridas para los elementos de membrana. Con referencia a la Figura 7, el gas que contiene oxígeno 38 fluye en una primera dirección. El primer gas de proceso 88 en el pasaje de oxidación 138, que corresponde al pasaje 128, Figura 6, y la mezcla gaseosa 132 que fluye a través del pasaje de reformación 140, a través del lecho 62 fluyen en una dirección opuesta. El primer flujo que sale 142 del pasaje de oxidación 138 típicamente tiene una relación de H2/CO de aproximadamente 2 y el segundo flujo que sale 144 del pasaje de reformación 140 tiene una relación de H /CO de aproximadamente 3 o más Proporcionando las 43 alimentaciones respectivas 88, 132 a los dos pasajes paralelos 138, 140, se obtienen relaciones deseadas de H2/CO de entre 2 y 3 mezclando las dos corrientes de salida 142, 144 A relaciones menores que aproximadamente 24, el equilibrio de energía total es típicamente exotérmico y el incremento de temperatura sensible del gas que contiene oxígeno 38 y los gases de proceso 88, 132 funciona como un colector de calor A relaciones de H2/CO más altas, el equilibrio es endotérmico y se requiere de calor adicional El calor adicional puede ser generado dejando que la reacción de oxidación progrese un poco más allá de la oxidación parcial, tal como a través de la adición de más oxígeno, introduciendo los gases que contienen oxígeno y de proceso a una temperatura más alta, o quemando algo del combustible dentro del pasaje de aire La Figura 8 ilustra una disposición en serie para el pasaje de oxidación 138 y el pasaje de reformación 140 El primer gas de proceso 88 es suministrado al pasaje de oxidación 138 y, después de la reacción exotérmica con oxígeno de penetración, la primera corriente de salida 142 contiene productos de oxidación parcial y completa, dependiendo de la relación de combustible a oxigeno La primera corriente de salida 142 después es mezclada en la unión 146 con una mezcla gaseosa 132 del primer gas de proceso y el vapor y suministrada hacia el pasaje de reformación 140 Las relaciones de H2/CO diferentes se obtienen en la corriente de producto 70 variando la relación de la dos corrientes de alimentación de gas de proceso 88, 132 y el grado de oxidación 44 completa en el pasaje de oxidación 138. Además de proveer el oxígeno para la reacción de oxidación, la corriente de gas que contiene oxígeno 78 constituye un colector de calor o una fuente de calor para equilibrar los requerimientos de energía. La Figura 9 ilustra una modalidad en donde una corriente de vapor es recirculada con el primer gas de proceso 88 para incrementar el flujo de oxígeno y, por lo tanto, la generación de calor, ya que el gas de producto recirculado contiene monóxido de carbono e hidrógeno y la reacción de estos gases con el oxígeno de penetración es más rápida. Esto da como resultado la reducción de la presión de oxígeno parcial del lado de ánodo y el incremento de la fuerza de impulsión de transporte de oxígeno. El flujo de oxígeno depende de la velocidad de transporte del oxígeno desde el lado de cátodo 82 hacia el lado de ánodo 86 del tubo de reacción 34. La corriente 148 es una mezcla del primer gas de proceso 88 y una porción 152 del gas del producto 70, los cuales se unen en la unión 150. Alternativamente, el primer gas de proceso 88 puede ser diluido con dióxido de carbono y vapor (línea desvanecida 228, Figura 9) para reducir el flujo de oxígeno. Estas ventajosas modalidades en donde altos flujos de oxígeno general un calor excesivo sobre la superficie de ánodo 86 haciendo que el control de temperatura de la superficie sea difícil. La Figura 10 ilustra una modalidad de flujo para un reformador puro, en donde la energía para la reacción de reformación es 45 provista por un combustionador novedoso. En esta modalidad, los gases del pasaje de oxidación 138 no se comunican con los gases en el pasaje reformador 140. El primer gas de proceso 88 es quemado con oxígeno de penetración para generar el calor requerido por la reacción de reformación endotérmica. Los productos de la combustión 154 son desechados del reactor. Entre las ventajas del preformador de membrana del transporte de ion selectivo de oxígeno ilustrado en la Figura 10 se encuentra la opción de utilizar un combustible de grado bajo a una baja presión, buenas temperaturas de superficie en el control de la membrana de transporte de oxígeno y paredes del reformador, y una baja generación de Nox ya que el nitrógeno es excluido del ambiente de la reacción y la temperatura del aire agotado de oxígeno 87 es típicamente menor que 1000°C. El término "combustible de grado bajo" como se utiliza en la presente, se refiere a una corriente de gas que tiene un valor de combustible menor que 500 BTU por metro cúbico. En comparación, el gas natural típicamente tiene un valor de combustible de 900-1000 BTU/m3. Una fuente de combustible de grado bajo es un gas de extremo de absorción basculante de presión (PSA) típicamente conteniendo menos de un 50% de hidrocarburos o monóxido de carbono, la mayoría de la corriente siendo dióxido de carbono y/o agua. Las Figuras 11 y 12 ilustran modalidades de reactor alternativas, en donde los tubos de alimentación son remplazados con tubos de retiro y el gas que contiene oxígeno fluye desde el 46 lado de coraza alrededor de la superficies externas de los tubos concéntricamente alineados y los gases de proceso fluyen sobre el anillo interno de los tubos concéntricos. El reactor 160, Figura 11, incluye un primer tubo de retiro 162 y un segundo tubo de retiro 164, ambos están fijamente unidos a una primera lámina de tubo 114. Dispuesto alrededor del primer tubo de retiro 162 está un tubo de reacción 34, que tiene un extremo abierto 102 penetrado a través de una segunda lámina de tubo 116 con un sello deslizante 48 entre el tubo y la lámina de tubo. El tubo de reacción 34 tiene un extremo cerrado opuesto 104 y una membrana de transporte de oxígeno por lo menos extendiéndose a través de la sección de reacción del reactor. Dispuesto alrededor del segundo tubo de retiro 164 está un tubo reformador 166 formado de un metal o material cerámica para contener una reacción de reformación de vapor como se describe más adelante. El tubo reformador 166 tiene un extremo abierto 168 fijamente unido a una tercera lámina de tubo 118, o a una cuarta lámina del tubo 202, y tiene un extremo cerrado opuesto 170. Un lecho de catalizador 62 preferiblemente llena un anillo 198 definido por una pared externa 172 del segundo tubo de retiro 164 y una pared interna 174 del tubo reformador 166. Cuando el reactor 160 se opera, un gas que contiene oxígeno 38 típicamente aire, es suministrado al recinto hermético del reactor. El oxígeno hace contacto con una superficie externa (cátodo) 82 del tubo de reacción 34 y la porción de penetración 84 47 es transportado hacia el la?o de ánodo 86. La combinación del lado de ánodo 86 y una pared externa 176 del primer tubo de retiro 162 forma un anillo en donde ocurra la oxidación parcial. Un primer gas de proceso 88, típicamente gas natural, metano u otro hidrocarburo ligero, es suministrado al reactor a través de la primera entrada de gas de proceso 26. El primer gas de proceso 88 fluye a través del anillo definido por la pared externa 176 y el lado de ánodo 86. La oxidación parcial ocurre generando un gas de producto 71 que es removido a través del primer tubo de retiro 162 hacia la cámara 200. En paralelo con la reacción oxidación, el primer gas de proceso adicional 88' es suministrado a través de la segunda entrada de gas de proceso 134 y se combina con el vapor 90 introducido a través de la entrada de gas de compensación 72. El vapor está a una presión más alta que el primer gas de proceso adicional 88' y fluye a través de los orificios de restricción del flujo 74 para combinarse con el primer gas de proceso adicional 88' para formar una mezcla gaseosa 132. Fluyendo hacia arriba a través del anillo 198, la mezcla 132 es precalentada, participa en una reacción de reformación en el lecho 62, y después se enfría a través del aire del aire de coraza 38 antes de ser retirada a través del tubo 164. La mezcla gaseosa 132 es transportada a través del lecho de catalizador 62, en donde ocurre la reformación de gas generando una segunda porción de gas de producto 180 que se combina con la primera porción de gas de producto 71 en la cámara 200 y se 48 remueve a través de la salida de gas de producto 70 como corriente de producto combinada 71. Como con las modalidades anteriores, el vapor presurizado 90 funciona como un regulador entre el primer gas de proceso adicional 88' y el gas que contiene oxígeno a baja presión 38. La corriente de gas agotado de oxígeno 203 es retirada del reactor 201 después de atravesar los deflectores 205. Funcionalmente, la modalidad de la invención representada en la Figura 11 es similar a la disposición de la Figura 7. La modalidad de la Figura 11 también preferiblemente incluye secciones de precalentamiento y enfriamiento. La Figura 12 ilustra un reactor 201 en donde el flujo gaseoso está en serie. El primer gas de proceso 88 entra al reactor a través de la primera entrada de gas de proceso 26. El primer gas de proceso 88 fluye hacía el primer anillo 112 que está definido por una superficie interna (ánodo) 86 del tubo de reacción 34 y una superficie externa 176 del primer tubo de retiro 162. Un gas que contiene oxígeno 38, tal como aire, es suministrado al recinto hermético del reactor y hace contacto con un lado externo (lado de cátodo) 82 del tubo de reacción 34. La porción de penetración 84 del oxígeno es transportada a través de la membrana de transporte del ion selectiva de oxígeno y ocurre una reacción de oxidación exotérmica en las superficies del lado de ánodo 86. La corriente de gas agotado de oxígeno 203 es expulsada del reactor 201 después de atravesar los deflectores 205. 49 Los productos de oxidación 154 se combinan con la mezcla gaseosa 132 del gas de proceso adicional (similar al gas de proceso 88', Figura 11) y vapor (similar al vapor 90, Figura 11) para formar una corriente de proceso combinada 204, la cual es suministrada hacia el segundo anillo 126 que está empacado con el catalizador 62 entre el tubo reformador 209 y el tubo derretido 207. Después de la reformación de vapor, el gas de producto 71, tal como gas de síntesis, es recuperado. Esta modalidad es funcionalmente similar a aquella de la Figura 8. Las configuraciones de las Figuras 11 y 12 tienen el lado de coraza de flujo de aire y las reacciones presentándose junto con el diámetro interno de los tubos de reacción. Aquellos expertos en la técnica reconocerán que los procesos de las Figuras 1, 5 y 6 también pueden ser realizados con tubos internos de reacciones y aire fluyendo en los tubos externos si todos los tubos de reacción contienen membranas de transporte de iones por lo menos en la zona de reacción de un reactor de transporte de iones. Se podrían utilizar diseños similares a aquellos presentados en las Figuras 11 y 12. Preferiblemente, cada tubo está fijamente unido solamente a una lámina de tubo y está deslizablemente sellado a otras láminas de tubo, o pasa libremente a través de ellas. Por ejemplo, el tubo de retiro 207, Figura 12, está unido solamente a la lámina de tubo 206 y el tubo de retiro 162 está unido solamente a la lámina de tubo 208. Los tubos de retiro 207, 162 pasan libremente a través de las 50 láminas de tubo restante 210, 212 siendo colocadas dentro del tubo reformador 209 y el tubo e reacción 34, respectivamente. El tubo reformador 209 está fijamente unido en esta construcción a la lámina de tubo 212 y está deslizablemente sellado por los sellos 214, 216 a través de las láminas de tubo 208, 210, respectivamente. El tubo de reacción 34 está fijamente unido sólo a la lámina de tubo 212 y está deslizablemente sellado por el sello 218 en la lámina de tubo 210. Los tubos 209 y 34 pasan libremente a través de huecos ligeros anulares en los deflectores 205. Las ventajas de los procesos integrados de la invención y los diseños de reactor asociados con los mismos, serán más evidentes a partir de los siguientes ejemplos.
EJEMPLO Se moldeó por computadora un reactor de tubo y coraza del tipo ilustrado en la Figura 1. El reactor tuvo 1000 tubos de reacción 34, cada tubo de reacción teniendo una longitud de 9.44 m. De esta longitud, la sección de reacción 65 tiene una longitud de 5.48 m, la sección de precaientamiento 91 tiene una longitud de 1.82 m y la sección de enfriamiento 96 tiene una longitud de 2.13 m. El paso de tubo a tubo fue de 3.81 cm y el diámetro del haz de tubo fue de 1 21 m. Cada tubo se formó a partir de un conector de un conductor compuesto denso que es capaz del transporte de ion selectivo en la sección de reacción 65 y estuvo inactivo fuera de la sección de 51 reacción 65. Los tubos tuvieron un diámetro externo de 2.54 cm y un diámetro interno de 2.22 cm. Las membranas 40 en la sección de reacción 65 se formaron a partir de perovsquíta LaSrFeCr. La Figura 13 ilustra gráficamente la composición gaseosa del reactor. El eje horizontal representa el porcentaje de sección de reacción que ha sido atravesada por los constituyentes de reacción, mientras que el eje vertical identifica el porcentaje molar de cada constituyente. Cuando x/L = 0, en el extremo corriente arriba extremo de la sección de reacción siguiente a la sección de precalentamiento 91, los constituyentes gaseosos están aproximadamente, en porcentaje molar, de 40% CH4, 39% CO, 10% H2, 8% CO y el resto CO2. Cuando x/L = 1, el extremo corriente abajo extremo de la sección de reacción adyacente a la sección de enfriamiento 96, la composición constituyente gaseosa prevista, en porcentaje molar, es de 47% H2, 25% H2O, 20% CO, 5% CO2, 4% N2 y 2% CH4. Se determinó que el flujo de oxígeno promedio a través de la sección de reacción fue de 15.4 NCFH/FT2 y 50% del oxígeno disponible en el aire de alimentación fue utilizado. La temperatura sobre toda la longitud del tubo de reacción es como se ilustra en la Figura 14. La producción neta de hidrógeno se previo para ser 495 libras molares/hora y de 211 libras molares/hora de monóxido de carbono para una relación molar de H2:CO = 2.35. El Ejemplo ilustra la habilidad de controlar la .generación de calor y transferencia de calor para evitar excursiones excesivas de 52 la temperatura de membrana dé transporte de ion selectiva de oxígeno y para obtener temperaturas de tubo en las áreas de sello menores de 400°C que substancialmente facilitan las restricciones en los sellos deslizantes. Aunque el reactor ha sido particularmente descrito como un reactor de tipo de tubo y coraza, se reconoce que otros tipos de reactores adecuados para la oxidación parciai y reformación de constituyentes gaseosos pueden ser utilizados para realizar los procesos de la invención. Se reconoce que las membranas de transporte de ion utilizadas en el proceso de la invención pueden tener cualquier configuración deseada, incluyendo tubos, placas y canales rector. Además, las velocidades de flujo del oxígeno pueden ser mejoradas a través de la incorporación de catalizadores, revestimientos de superficie o capas porosas con membranas. El término "que comprende" se utiliza en la presente para representar "incluyendo, pero no imitándose a", es decir, como especificando la presencia de aspectos establecidos, enteros, pasos o componentes como se presenta en las reivindicaciones, pero no excluyendo la presencia o adición de uno o más de otros aspectos, enteros, pasos, componentes o grupos de los mismos. Los aspectos específicos de la invención se muestran en uno o más de los dibujos sólo por conveniencia, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Las modalidades alternativas serán reconocidas por 53 aquellos expertos en la técnica y pretenden ser incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

54 REIVINDICACIONES
1.- Un proceso para producir un gas de producto en un reactor que contiene por lo menos un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno, dicho elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno teniendo un lado de cátodo y un lado de ánodo, dicho proceso comprendiendo: hacer fluir en una primera dirección un gas que contiene oxígeno a lo largo del lado de cátodo y transportar una porción de penetración de oxígeno a través del elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno hacia el lado de ánodo; aislar tanto un primer gas de proceso como un segundo gas de proceso desde el gas que contiene oxígeno, por lo que por lo menos el primer gas de proceso fluye a lo largo del lado de ánodo y el primer gas de proceso es capaz tanto de una reacción exotérmica con oxígeno como de una reacción endotérmica con dicho segundo gas de proceso; hacer reaccionar exotérmicamente la porción de oxígeno con el primer gas de proceso y hacer reaccionar endotérmicamente el primer gas de proceso con el segundo gas de proceso; y controlar por lo menos uno de la reacción exotérmica, la reacción endotérmica y la transferencia de calor interna dentro del reactor para mantener la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dentro de los límites térmicos prescritos.
2.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde 55 el primer gas de proceso y el segundo gas de proceso se mezclan, formando así una mezcla gaseosa, antes de la reacción exotérmica o la reacción endotérmica.
3.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el paso de controlar genera un exceso de calor que es utilizado para calentar un constituyente de reacción seleccionado del grupo que consiste del primer gas de proceso, el segundo gas de proceso, mezclas de los mismos, y el gas que contiene oxígeno.
4.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye además disponer un lecho de catalizador a lo largo de por lo menos una porción del lado de ánodo, el catalizador siendo seleccionado para ser capaz de promover la reacción endotérmica.
5.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la actividad local del lecho de catalizador está selectivamente diseñada para producir un equilibrio positivo entre las temperaturas de reacción exotérmica y endotérmica alrededor de una porción periférica del lecho de catalizador y un equilibrio neutro en el centro del lecho.
6.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la actividad de catalizador gradualmente se incrementa hacia la mitad y el extremo de salida del lecho.
7.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado además porque incluye agregar un segundo gas de proceso adicional seleccionado del grupo que consiste de dióxido de 56 carbono, vapor y mezclas de los mismos, a una porción central del lecho de catalizador para incrementar localmente la velocidad de reacción endotérmica.
8.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo gas de proceso se separa del primer gas de proceso a través de un miembro impermeable al gas, térmicamente conductor.
9.- Un proceso para producir una mezcla de hidrógeno y monóxído de carbono en un reactor que contiene por lo menos un elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno, el elemento de membrana de transporte de ¡on selectivo de oxígeno teniendo un lado de cátodo y un lado de ánodo, dicho proceso comprendiendo: hacer fluir un gas que contiene oxígeno en una primera dirección a lo largo del lado de cátodo y transportar una porción de penetración de oxígeno a través del elemento de membrana de transporte de ion selectivo de oxígeno hacia el lado de ánodo; hacer fluir un primer gas de proceso a lo largo del lado de ánodo, el primer gas de proceso siendo capaz de una reacción exotérmica con el oxígeno; proveer un miembro impermeable al gas, térmicamente conductor para separar el primer gas de proceso del segundo gas de proceso y capaz de una reacción endotérmica; hacer reaccionar exotérmicamente una primera porción del primer gas de proceso con el oxígeno de penetración, mientras reacciona endotérmicamente el segundo gas de proceso; y 57 controlar por lo menos uno de la reacción exotérmica, la reacción endotérmica y la transferencia de calor interna dentro del reactor para mantener la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dentro de los límites térmicos prescritos.
10.- Un reactor que comprende: una coraza hueca definiendo un recinto hermético; una pluralidad de láminas de tubo dispuestas dentro del recinto hermético, una primera de dicha pluralidad de láminas de tubo definiendo una primera cámara y una segunda cámara; por lo menos un tubo de reacción teniendo un primer extremo y un segundo extremo, una primera porción del tubo de reacción estando fijamente unida y substancial y herméticamente sellada a una de la pluralidad de láminas de tubo y abriéndose hacia la primera cámara, la porción restante del tubo de reacción estando axialmente no restringida, el tubo de reacción incluyendo además una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dispuesta entre el primer extremo y el segundo extremo; una primera entrada de gas de proceso para el suministro de un primer gas de proceso hacia el recinto hermético a una primera presión: una segunda entrada de gas de proceso para suministrar un segundo gas de proceso hacia el recinto hermético a una segunda presión: una entrada para suministrar un gas que contiene oxígeno al recinto hermético a una tercera presión; y 58 una pluralidad de salidas para la remoción de un gas de producto y gases de subproducto de reacción a partir del recinto hermético.
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