[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

EA010699B1 - Система мембранных модулей для ионного транспорта и аппарат с направленным внутренним газовым потоком - Google Patents

Система мембранных модулей для ионного транспорта и аппарат с направленным внутренним газовым потоком Download PDF

Info

Publication number
EA010699B1
EA010699B1 EA200501898A EA200501898A EA010699B1 EA 010699 B1 EA010699 B1 EA 010699B1 EA 200501898 A EA200501898 A EA 200501898A EA 200501898 A EA200501898 A EA 200501898A EA 010699 B1 EA010699 B1 EA 010699B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
gas
modules
flow
pressure
membrane
Prior art date
Application number
EA200501898A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200501898A1 (ru
Inventor
Майкл Джером Холмс
Теодор Р. Орн
Кристофер Минг-Пох Чен
Original Assignee
Эр Продактс Энд Кемикалз, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/028,124 external-priority patent/US7425231B2/en
Application filed by Эр Продактс Энд Кемикалз, Инк. filed Critical Эр Продактс Энд Кемикалз, Инк.
Publication of EA200501898A1 publication Critical patent/EA200501898A1/ru
Publication of EA010699B1 publication Critical patent/EA010699B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
    • C01B13/0255—Physical processing only by making use of membranes characterised by the type of membrane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/229—Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/64—Heavy metals or compounds thereof, e.g. mercury
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06—Tubular membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B01D63/084—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14—Dynamic membranes
    • B01D69/141—Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/024—Oxides
    • B01D71/0271—Perovskites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/30—Alkali metal compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/40—Alkaline earth metal or magnesium compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/60—Heavy metals or heavy metal compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/708—Volatile organic compounds V.O.C.'s
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/14—Specific spacers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/42—Catalysts within the flow path
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/02—Elements in series
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/02—Elements in series
    • B01D2319/025—Permeate series
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/04—Elements in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0216—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0222—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic carbon dioxide reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/141—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1614—Controlling the temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0046—Nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0051—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0062—Water
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Мембранная система для ионного транспорта, включающая: (а) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось; (b) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; (с) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления газового потока внутри аппарата.

Description

Настоящее изобретение выполнено при поддержке правительства по контракту № ΌΕ-ΕΟ26-97ΕΤ96052 между Λίτ Ртокиск апк Сйеткак и Департаментом Энергии США. Правительство обладает определенными правами на это изобретение.
Уровень техники
Проникновение ионов кислорода через керамические мембраны для ионного транспорта является основой различных устройств для газоразделительных и окислительных реакторных систем, работающих при высоких температурах, в которых проникший кислород выделяется на стороне пермеата в виде продукта, представляющего собой высокочистый кислород, или вступает в реакцию на стороне пермеата с окисляемыми соединениями с образованием окисленных или частично окисленных продуктов. Практическое применение таких устройств для отделения газов и окислительных реакторных систем требует использования мембранных узлов, имеющих большие площади поверхности, средств для контакта питающего газа со сторонами мембран, к которым происходит подача, и средств для выхода продукта в виде газа от сторон пермеата. Такие мембранные узлы могут содержать некоторое количество отдельных мембран, установленных и собранных в виде модулей, имеющих подходящие трубки для прохождения потока газа, служащие для входа питающего газа к модулям и для выхода от модулей газообразного продукта.
Мембраны для ионного транспорта могут быть изготовлены в плоских или трубчатых конфигурациях. В случае плоской конфигурации изготавливают некоторое количество плоских керамических пластин и собирают их в виде пакетов или модулей, имеющих трубопроводные устройства для прохождения питающего газа через плоские мембраны и для выхода продукта в виде газа со стороны пермеата плоских мембран. В случае трубчатых конфигураций некоторое количество керамических трубок может быть расположено в виде байонетных конфигураций или конфигураций типа оболочки и трубки, причем с соответствующими узлами, содержащими трубчатые листы, для изоляции сторон подачи и пермеата совокупности трубок.
Отдельные мембраны, используемые в плоских или трубчатых модульных конфигурациях, обычно содержат очень тонкие слои активного мембранного материала, нанесенного на материал, имеющий крупные поры или каналы, которые обеспечивают возможность прохождения потока газа к поверхностям и от поверхностей активных мембранных слоев. Керамический материал мембран и компоненты мембранных модулей могут быть подвергнуты значительным механическим напряжениям в ходе обычной операции с устойчивым состоянием, а особенно в неустойчивом состоянии при введении в действие, остановках и состояниях нарушения нормального режима работы. Эти напряжения могут быть вызваны тепловым расширением и сжатием керамического материала и отклонениями размеров, вызываемыми изменениями химического состава или кристаллической структуры вследствие изменений стехиометрии кислорода в материале мембраны. Эти модули могут действовать со значительными разницами давления по мембране и по уплотнениям мембраны, поэтому при конструировании мембранных модулей необходимо учитывать напряжения, создаваемые такими разницами давления. Кроме того, относительная важность этих явлений может различаться в зависимости от того, применяются ли модули для газоразделения или для окисления. Потенциальные рабочие проблемы, вызываемые этими явлениями, могут оказывать существенное негативное воздействие на чистоту извлекаемого кислорода и на эксплуатационную долговечность мембраны.
Мембранные модули могут быть установлены в аппаратах высокого давления, предназначенных для введения питающего газа в модули и для удаления из модулей продукта в виде газа, а также для работы по меньшей мере с одной стороны мембран под давлениями выше атмосферного. Конструкция этих модулей и ориентация модулей внутри аппаратов высокого давления должны обеспечивать возможность использования компактных и приемлемых по стоимости аппаратов высокого давления.
В этой области имеется необходимость в высокотемпературных реакторных системах с керамическими мембранами для новых конструкций мембранного модуля и аппарата, которые предназначены для устранения указанных потенциальных рабочих проблем. Такие конструкции должны включать в себя отличительные признаки, позволяющие обеспечить эффективную работу, длительный срок службы мембраны, минимальные капитальные затраты, способность точно определять мембранные системы для широкого диапазона производственных скоростей и компактные аппараты высокого давления. Раскрытые здесь варианты осуществления изобретения касаются решения таких проблем конструирования и включают в себя усовершенствованные конструкции модуля и аппарата как для производства кислорода, так и для систем окисления.
Краткое изложение сущности изобретения
Вариант осуществления изобретения относится к мембранной системе для ионного транспорта, включающей: (а) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для
- 1 010699 введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось; (Ь) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; (с) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри аппарата.
Каждый плоский мембранный модуль может содержать некоторое количество пластин, имеющих плоские параллельные поверхности, при этом аппарат высокого давления может быть цилиндрическим, а ось может быть параллельна некоторым или всем плоским параллельным поверхностям пластин.
Кроме того, система может включать канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, при этом канал для удерживания потока имеет внутреннюю область, окружает некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта и для возможности прохождения потока сообщается со входом и выходом аппарата высокого давления, а во внутренней области канала для удерживания потока расположены одна или более перегородки для управления потоком газа. Канал для удерживания потока и одна или более перегородок для управления потоком газа могут содержать металлический сплав, стойкий к окислению, состоящий из железа и одного или более элементов, выбранных из группы, содержащей никель и хром.
По меньшей мере два модуля с плоскими мембранами для ионного транспорта могут определять ось модулей, при этом аппарат высокого давления может быть цилиндрическим или может иметь ось, которая параллельна оси модулей или коаксиальна ей; как вариант, ось может быть перпендикулярна оси модулей.
Одна или более из перегородок для управления потоком могут быть ориентированы таким образом, чтобы начальное направление потока газа отклонялось к конечному направлению потока газа, при этом угол, образованный между начальным направлением потока газа и конечным направлением потока газа, представляет собой угол, больший нуля градусов и меньший 180° или равный им, либо, как вариант, представляет собой угол, больший 90° и меньший 180° или равный им. В другом альтернативном варианте одна или более перегородок для управления потоком могут быть ориентированы таким образом, чтобы начальное направление потока газа отклонялось к конечному направлению потока газа, при этом угол, образуемый между начальным направлением потока газа и конечным направлением потока газа, представляет собой угол порядка 180°.
Система согласно этому варианту осуществления дополнительно может включать: (б) один или более дополнительных аппаратов высокого давления, каждый из которых имеет внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось; (е) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; (1) одну или более перегородок для управления потоком газа, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри какого-либо из одного или более аппаратов высокого давления; при этом по меньшей мере два из аппаратов высокого давления могут быть расположены последовательно, так что выход одного аппарата высокого давления будет сообщен со входом другого аппарата высокого давления для возможности прохождения потока.
Система согласно этому варианту осуществления в качестве альтернативы может дополнительно включать: (б) один или более дополнительных аппаратов высокого давления, каждый из которых имеет внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось; (е) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал в виде смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; (ί) одну или более перегородок для управления потоком газа, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри какого-либо из одного или более аппаратов высокого давления, при этом по меньшей мере два из аппаратов высокого давления могут быть расположены параллельно таким образом, что какой-либо вход одного аппарата высокого давления и какой-либо вход другого аппарата высокого давления будут сообщены с общей питающей трубкой для возможности прохождения потока.
Система может дополнительно включать катализатор, расположенный между какими-либо двумя из последовательно установленных модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта. Катализатор может содержать один или более металлов либо соединения, содержащие металлы, выбранные из группы, состоящей из никеля, кобальта, платины, золота, палладия, родия, рутения и железа. Катализатор реактора может быть помещен между некоторым количеством последовательных модулей, при этом активность катализатора изменяется в разных точках между последовательно установленными модулями.
- 2 010699
Еще один вариант осуществления изобретения относится к способу извлечения кислорода из газа, содержащего кислород, включающему:
(a) обеспечение мембранной разделительной системы для ионного транспорта, включающей:
(1) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
(2) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область;
(3) одну или более перегородок для управления потоком газа, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри аппарата;
(b) создание нагретого, находящегося под давлением питающего потока газа, содержащего кислород, введение питающего потока газа через вход аппарата высокого давления к наружным областям мембранных модулей и введение питающего потока газа в контакт с керамическим материалом из смешанных оксидов металлов;
(c) проникновение ионов кислорода через керамический материал из смешанных оксидов металлов, извлечение газообразного продукта в виде высокочистого кислорода во внутренних областях мембранных модулей и удаление этого газообразного продукта из внутренних областей мембранных модулей через газовые коллекторы наружу от аппарата высокого давления;
(б) удаление газа, содержащего кислород, с обедненным содержанием в нем кислорода из выхода аппарата высокого давления.
Давление питающего газа, содержащего кислород, может быть больше, чем давление продукта в виде высокочистого газообразного кислорода. Способ может дополнительно включать канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, при этом канал для удерживания потока имеет внутреннюю и наружную области, окружает некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта и сообщается со входом и выходом аппарата высокого давления для возможности прохождения потока, причем во внутренней области канала для удерживания потока расположены одна или более перегородок для управления потоком газа. Величина разности давлений между внутренней областью и наружной областью канала для удерживания потока в любой точке между входом и выходом аппарата высокого давления может быть сохранена равной нулю или большей этого значения, при этом давление во внутренней части канала равно давлению в аппарате высокого давления снаружи от канала либо больше этого давления.
Альтернативный вариант осуществления изобретения включает в себя способ окисления, включающий:
(a) обеспечение мембранной реакторной системы для ионного транспорта, включающей:
(1) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
(2) некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю и наружную области;
(3) одну или более перегородок для управления потоком газа, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри аппарата;
(b) создание нагретого, находящегося под давлением потока питающего газа, являющегося реагентом, и введение этого потока газа-реагента через вход аппарата высокого давления ко внешним областям мембранных модулей;
(c) обеспечение содержащего кислород окисляющего газа у внутренних областей мембранных модулей, проникновение ионов кислорода через керамический материал из смешанных оксидов металлов, вступление кислорода в реакцию с компонентами в потоке питающего газа, являющегося реагентом, во внешних областях мембранных модулей для образования в них продукта окисления и удаление продукта окисления из внешних областей мембранных модулей через выход наружу от аппарата высокого давления для создания потока продукта окисления;
(б) удаление газа, содержащего кислород, с обедненным содержанием в нем кислорода из внутренних областей мембранных модулей через один или более коллекторов наружу от аппарата высокого давления.
Давление потока питающего газа, являющегося реагентом, может быть больше давления окисляющего газа, содержащего кислород. Способ может дополнительно включать канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, при этом канал для удерживания потока имеет внутреннюю и наружную области, окружает некоторое количество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта и сообщен со входом и выходом аппарата высокого давления для возможности прохождения потока, причем одна или более перегородок для управления потоком газа расположены во внутренней области канала для удерживания потока. Величина разности давлений меж
- 3 010699 ду внутренней областью и наружной областью канала для удерживания потока в какой-либо точке между входом и выходом аппарата высокого давления может быть сохранена равной нулю или большей нуля, при этом давление внутри канала равно давлению в аппарате высокого давления снаружи канала либо больше этого давления.
Находящийся под давлением поток питающего газа, являющегося реагентом, может содержать один или более углеводородов, имеющих 1 или более атомов углерода, в частности может содержать метан. Поток продукта окисления может содержать окислы водорода и углерода.
Краткое описание нескольких видов, представленных на фигурах
На фиг. 1 представлен схематический вид спереди пакета мембранных пластин или модуля для использования при выполнении способов извлечения кислорода или окисления согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2А представлен боковой вид пакета мембранных пластин или модуля согласно фиг. 1 для использования при выполнении способов окисления.
На фиг. 2В представлен боковой вид пакета мембранных пластин или модуля согласно фиг. 1 для использования при извлечении кислорода.
На фиг. ЗА представлен вид в сечении мембранной пластины согласно фиг. 1, 2 А и 2В.
На фиг. ЗВ представлен другой вид в сечении мембранной пластины согласно фиг. 1, 2 А и 2В.
На фиг. ЗС представлен вид в сечении альтернативной мембранной пластины согласно фиг. 1, 2 А и 2В.
На фиг. 3Ό представлен другой вид в сечении альтернативной мембранной пластины согласно фиг. 1, 2А и 2В.
На фиг. 4А представлен схематический боковой вид внутренней части мембранного разделительно го аппарата, предназначенного для использования при извлечении кислорода.
На фиг. 4В представлено поперечное сечение вида согласно фиг. 4А.
На фиг. 5 представлен схематический боковой вид внутренней части мембранного реакторного аппарата для использования при выполнении способов окисления.
На фиг. 6 представлено поперечное сечение вида согласно фиг. 5.
На фиг. 7 представлен вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий размещение изоляционного материала.
На фиг. 8 представлен второй вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий альтернативное размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 9 представлен третий вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий альтернативное размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 10 представлен четвертый вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий альтернативное размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 11 представлен пятый вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий альтернативное размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 12 представлен шестой вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий альтернативное размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 1З представлен седьмой вариант согласно фиг. 4В, демонстрирующий размещение термоизоляционного материала.
На фиг. 14 представлен схематический боковой вид внутренней части альтернативной компоновки мембранного аппарата и модуля для использования при выполнении способов извлечения кислорода и окисления.
На фиг. 15 представлен вид в сечении в плане канала для удерживания потока согласно фиг. 4А, имеющего коаксиальные параллельные мембранные модули.
На фиг. 16 представлен вид в сечении в плане канала для удерживания потока со смещенными группами параллельных мембранных модулей.
На фиг. 17А представлен вариант мембранного реакторного аппарата и мембранных модулей с внутренними перегородками для направления потока газа.
На фиг. 17В представлен вид сечения 10-10 согласно фиг. 17А.
На фиг. 18А представлен альтернативный вариант мембранного реакторного аппарата и мембранных модулей со внутренними перегородками для направления потока газа.
На фиг. 18В представлен вид сечения 12-12 согласно фиг. 18А.
На фиг. 19 представлен измененный вариант системы согласно фиг. 18В.
На фиг. 20 представлен еще один альтернативный вариант осуществления мембранного реакторного аппарата и мембранных модулей с внутренними перегородками для направления потока газа.
Фиг. 1-20 необязательно представлены в масштабе.
Подробное описание изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к конструкции и работе мембранных систем для ионного транспорта, в которых применяют некоторое количество последовательно действующих мембранных модулей для использования при выполнении способов извлечения кислорода или окисления. Установлено, что, когда кислород проходит через мембрану, это приводит к экзотермической
- 4 010699 реакции, например при производстве синтез-газа из метана, при этом степень превращения реагента через отдельную мембрану должна быть ограничена для предотвращения чрезмерного температурного градиента по мембране. Также установлено, что, когда мембрана транспортирует кислород в проникающий поток низкого давления, количество кислорода, извлекаемого через отдельную мембрану, должно быть ограничено для предотвращения чрезмерного градиента кислородной вакансии в материале мембраны между передней кромкой и задней кромкой мембраны. Чрезмерный температурный градиент или градиент кислородной вакансии могут создать в мембранах чрезмерные напряжения, которые могут очень значительно сократить срок службы мембран.
Настоящее изобретение направлено на решение указанных проблем посредством ориентации некоторого количества мембранных модулей или последовательных групп модулей таким образом, чтобы количество кислорода, извлекаемое через мембраны в каждом модуле, было достаточно низким для предотвращения чрезмерного градиента кислородной вакансии в материале мембраны. Количество кислорода, извлекаемое через каждую отдельную мембрану, может быть ограничено посредством придания модулю соответствующего размера, а общая желаемая степень извлечения кислорода может быть достигнута посредством работы выбранного некоторого количества последовательных модулей. Когда кислород проходит через мембрану, это приводит к экзотермической реакции, причем степень превращения реагента через отдельные мембраны в каждом модуле должна быть достаточно низкой, чтобы предотвратить чрезмерный температурный градиент по мембране в направлении потока. Степень превращения через каждую отдельную мембрану может быть ограничена посредством придания модулю соответствующего размера, а общее желаемое превращение может быть достигнуто посредством работы некоторого количества выбранных последовательных модулей.
Газ, протекающий по наружной стороне мембран в каждом мембранном модуле, предпочтительно находится под более высоким давлением, чем газ с внутренней стороны мембран во внутренней части модуля, что обсуждено ниже. Для того, чтобы довести до минимума сопротивление перемещению массы в газовой фазе, газ под повышенным давлением должен быть направлен через наружную поверхность мембран с высокой скоростью и по возможности равномерно.
Вследствие уникальных условий работы системы с мембранами для ионного транспорта конструкция системы может включать в себя аппарат высокого давления, произвольное устройство или канал для удерживания потока газа, расположенный внутри аппарата и окружающий последовательные мембранные модули, и теплоизоляцию внутри аппарата для возможности работы стенки аппарата при более низкой температуре, чем температура мембранных модулей. Надлежащее физическое расположение каждого из этих компонентов, которые описаны ниже, повышает перспективы в отношении изготовления, монтажа и долговечности работы системы. Кроме того, раскрыты другие свойственные конструктивные отличительные признаки, которые могут способствовать длительной надежности всей мембранной системы для ионного транспорта.
Приведенные далее определения относятся к терминам, используемым в описании представленных здесь вариантов осуществления настоящего изобретения.
Модуль с мембранами для ионного транспорта представляет собой сборку из некоторого количества мембранных структур, которая имеет область входа потока газа и область выхода потока газа, расположенные таким образом, что газ протекает через наружные поверхности мембранных структур. Газ, протекающий от области входа к области выхода мембранного модуля, изменяется по составу, когда он проходит через поверхности мембранных структур в модуле. Каждая мембранная структура имеет сторону для подачи газа, содержащего кислород, и сторону пермеата, отделенную активным мембранным слоем или областью, которая обеспечивает возможность проникновения через нее ионов кислорода. Каждая мембранная структура также имеет внутреннюю область и наружную область. В одном из вариантов, в котором мембранный модуль действует в качестве устройства для отделения кислорода, сторона для подачи газа, содержащего кислород, может примыкать к наружной области мембранной структуры, а сторона пермеата может примыкать ко внутренней области мембранной структуры.
В альтернативном варианте, в котором мембранный модуль действует в качестве устройства для проведения реакции окисления, сторона для подачи газа, содержащего кислород, может примыкать к внутренней области мембранной структуры, а сторона пермеата может примыкать к наружной области мембранной структуры. В этом альтернативном варианте питающий газ, являющийся реагентом, протекает через наружную область мембранной структуры и вступает в реакцию с проникшим кислородом. Таким образом, в этом варианте сторона пермеата также представляет собой сторону мембранной структуры, где находится газ, являющийся реагентом.
Мембранная структура может иметь трубчатую конфигурацию, в которой газ, содержащий кислород, протекает таким образом, что входит в контакт с одной стороной трубки (то есть во внутренней области или в наружной области трубки) и ионы кислорода проникают через активный материал мембраны в стенках или на стенках трубки к другой стороне трубки. Газ, содержащий кислород, может протекать внутри или снаружи трубки в направлении, в целом, параллельном оси трубки, или, напротив, может протекать поверх наружной стороны трубки в направлении, которое не параллельно оси трубки. Модуль содержит некоторое количество трубок, расположенных в виде байонетной конфигурации или конфигу
- 5 010699 рации в виде оболочки, и трубки с соответствующими трубчатыми листовыми узлами для изоляции подводящей стороны и стороны пермеата совокупности трубок.
Как вариант, мембранная структура может иметь плоскую конфигурацию, в которой пластина имеет центральную или внутреннюю область, а наружная область образована посредством двух параллельных плоских элементов, уплотненных вокруг по меньшей мере части их периферийных краев. Ионы кислорода проходят через активный материал мембраны, который может быть расположен на каждой или на обеих поверхностях плоского элемента. Газ может протекать через центральную или внутреннюю область пластины, при этом пластина имеет одно или более отверстий для потока газа, обеспечивающих возможность входа потока газа во внутреннюю область пластины или выхода из этой области. Таким образом, ионы кислорода могут проникать из наружной области во внутреннюю область либо, наоборот, они могут проникать из внутренней области к наружной области.
Компоненты мембранного модуля включают в себя активный мембранный слой, который обеспечивает прохождение или проникновение ионов кислорода, а также может обеспечивать прохождение электронов, конструктивные компоненты, которые поддерживают активный мембранный слой, и конструктивные компоненты для направления потока газа к поверхностям мембраны и от них. Активный мембранный слой обычно содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов, а также может содержать один или более элементарных металлов. Конструктивные компоненты мембранного модуля могут быть изготовлены из какого-либо подходящего материала, например из керамических материалов, состоящих из смешанных оксидов металлов, а также могут содержать один или более элементарных металлов. Какой-либо активный мембранный слой и конструктивные компоненты могут быть изготовлены из одного и того же материала.
Отдельные модули могут быть установлены последовательно, что означает, что определенное количество модулей будет расположено вдоль одной оси. Обычно газ, который пропускают через поверхности мембранных структур в первом модуле, протекает из выходной области этого модуля, после чего некоторая часть этого газа или весь газ поступает во входную область второго модуля и затем протекает через поверхности мембранных структур во втором модуле. Ось последовательности одиночных модулей может быть параллельной или почти параллельной общему направлению потока или оси прохождения газа по последовательным модулям.
Модули могут быть расположены группами из двух или более параллельных модулей, при этом группа параллельных модулей лежит на оси, которая непараллельна и, в целом, может быть ортогональна по отношению к общему направлению потока или к оси прохождения газа по модулям. Некоторое количество групп модулей может быть расположено последовательно, что означает, что группы модулей будут расположены таким образом, что по меньшей мере часть газа, которая пропущена через поверхности мембранных структур в первой группе модулей, протекает через поверхности мембранных структур во второй группе модулей.
Любое количество отдельных модулей или групп модулей может быть расположено последовательно. В одном из вариантов модули в последовательности одиночных модулей или в последовательности групп модулей могут лежать на общей оси или на общих осях, при этом количество осей равно единице или равно количеству модулей в каждой группе. В другом варианте, который описан ниже, последовательные модули или группы модулей в последовательности модулей либо групп модулей могут быть смещены для их чередования так, чтобы модули лежали по меньшей мере на двух осях или на определенном количестве осей, соответственно, большем, чем количество модулей в группе. Оба этих варианта конструкции включены в определение последовательности модулей, которое здесь использовано.
Предпочтительно, чтобы газ, входящий в контакт с наружными поверхностями во внешних областях мембранных модулей, находился под более высоким давлением, чем газ во внутренних областях мембранных модулей.
Канал для удерживания потока определен как трубка или закрытый канал, окружающий некоторое количество последовательных мембранных модулей, который направляет протекающий газ по последовательности модулей.
Коллектор представляет собой узел из трубок или каналов, который направляет газ для его входа во внутренние области мембранных модулей или для его выхода из них. Два коллектора могут быть объединены посредством установки первой или внутренней трубки внутри второй или наружной трубки, при этом первая трубка обеспечивает первый коллектор, а кольцо между трубками обеспечивает второй коллектор. Трубки могут быть концентричными или коаксиальными, причем два этих термина имеют одно и то же значение. Как вариант, трубки могут не быть концентричными или коаксиальными и могут иметь отдельные параллельные или непараллельные оси. Такая конфигурация из внутренней и наружной трубок для обеспечения работы комбинированного коллектора определена здесь как гнездовой коллектор.
Сообщение для возможности прохождения потока означает, что компоненты систем с мембранными модулями и аппаратом ориентированы относительно друг друга таким образом, что газ может легко протекать от одного компонента к другому компоненту.
Перегородка представляет собой мембранную структуру, имеющую центральную или внутреннюю область и наружную область, при этом перегородку образуют посредством двух параллельных плоских
- 6 010699 элементов, уплотненных вокруг по меньшей мере части их периферийных краев. Активный материал мембраны может быть расположен на любой или на обеих поверхностях плоского элемента. Газ может протекать через центральную или внутреннюю область пластины, то есть все части внутренней области сообщаются для возможности прохождения потока, при этом пластина имеет одно или более отверстий для протекания газа, чтобы обеспечить прохождение газа во внутреннюю область пластины или выход из этой области. Внутренняя область пластины может включать в себя пористый и/или содержащий каналы материал, который обеспечивает возможность прохождения потока газа через внутреннюю область и механически удерживает параллельные плоские мембраны. Активный мембранный материал обеспечивает проникновение или ионный транспорт кислорода, но непроницаем для потока какого-либо газа.
Кислород - это общий термин для форм кислорода, содержащих элемент, имеющий атомный номер 8. Общий термин кислород включает в себя ионы кислорода, а также газообразный кислород (О2 или обычный кислород). Кислородсодержащий газ может включать в себя, но не ограничиваясь этим, воздух или газовые смеси, содержащие один или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, азота, воды, монооксида углерода и диоксида углерода.
Газ, являющийся реагентом, или являющийся реагентом входящий газ содержит по меньшей мере один компонент, который вступает в реакцию с кислородом для образования продукта окисления. Газ, являющийся реагентом, может содержать один или более углеводородов, при этом углеводород представляет собой соединение, содержащее, главным образом, или исключительно атомы водорода и углерода. Углеводород также может содержать другие атомы, например атомы кислорода.
Синтез-газ представляет собой газовую смесь, содержащую, по меньшей мере, оксиды водорода и углерода.
Мембрана для ионного транспорта представляет собой активный слой керамического материала, содержащего смешанные оксиды металлов, способный обеспечить перенос или проникновение ионов кислорода при повышенных температурах. Мембрана для ионного транспорта, кроме того, может обеспечить перенос электронов, как и ионов кислорода, и этот тип мембраны для ионного транспорта обычно описывают как мембрану смешанной проводимости. Мембрана для ионного транспорта также может включать в себя один или более элементарных металлов, образуя таким образом композитную мембрану.
Мембранная система ионного транспорта - это общий термин, относящийся к совокупности некоторого количества мембранных модулей для ионного транспорта, используемых для извлечения кислорода или проведения реакций окисления. Мембранная разделительная система для ионного транспорта представляет собой мембранную систему для ионного транспорта, используемую для отделения и извлечения кислорода из газа, содержащего кислород. Мембранная реакторная система для ионного транспорта представляет собой мембранную систему для ионного транспорта, используемую для проведения реакций окисления.
Последовательные мембранные модули в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть изготовлены с трубчатой или с плоской конфигурацией, как описано выше. Для многих случаев применения предпочтительны плоские конфигурации, при этом возможны различные конфигурации модулей с плоскими мембранами. Плоские конфигурации мембранных модулей описаны, например, в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 10/394620, поданной на рассмотрение 21 марта 2003г., которая введена сюда посредством ссылки.
Использование терминов в единственном числе также предполагает множественное число, если не указано иное. Прилагательное любой означает одно, несколько или все без исключения, независимо от количества.
Приведенный в качестве примера модуль с плоскими мембранами показан на фиг. 1, которая представляет собой схематический вид спереди пакета мембранных пластин или модуля для использования при выполнении способов извлечении кислорода или окисления согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Пакет или модуль в этом примере содержит некоторое количество плоских пластин 1, отделенных полыми промежуточными деталями 3, и, как вариант, имеет крышку 5. Пластины и промежуточные детали расположены и соединены так, чтобы они чередовались, как показано, и образовывали ось 7 пакета или модуля. Пластины на виде в плане могут иметь любую форму, однако, в целом, предпочтительны квадратная или прямоугольная формы. Размер какой-либо стороны квадратной или прямоугольной пластины может находиться между 2 и 45 см. Количество пластин в пакете может доходить до 1000.
Внешняя область пакета или модуля представляет собой область, окружающую наружные поверхности пластин и промежуточных деталей. Ниже описано подробно, что пластины 1 имеют внутренние области, которые расположены таким образом, что сообщаются со внутренними частями промежуточных деталей 3 для возможности прохождения потока, при этом между пластинами и промежуточными деталями образованы газонепроницаемые уплотнения. Отверстие 9 в нижней полой промежуточной детали 11 обеспечивает возможность входа газа во внутреннюю область пакета или модуля либо выхода из нее, при этом внутренняя область модуля образована посредством внутренних областей пластин и отверстий в полых промежуточных деталях. Таким образом, отверстие 9 сообщается с внутренней областью модуля для возможности прохождения потока.
- 7 010699
Боковой вид модуля согласно фиг. 1 представлен на фиг. 2А, которая иллюстрирует показанную в качестве примера конфигурацию для использования при выполнении способов окисления. В этом примере каждая из промежуточных деталей 201 между пластинами 200 имеет две отдельных группы отверстий 203 и 205. Отверстия 203 в промежуточных деталях 201 и дополнительные отверстия в промежуточных деталях, расположенных выше и ниже промежуточных деталей 201, образуют внутренний коллектор, который для возможности прохождения потока сообщается с внутренними областями пластин посредством надлежащим образом расположенных отверстий (не показаны) через слои пластин в левых концах пластин. Эти отверстия через слои пластин для возможности прохождения потока также обеспечивают сообщение друг с другом внутренних отверстий 203 промежуточных деталей 201 и внутренних отверстий в промежуточных деталях, находящихся выше и ниже промежуточных деталей 201. Подобным образом, отверстия 205 в промежуточных деталях 201 и дополнительные отверстия в промежуточных деталях, расположенных выше и ниже промежуточных деталей 201, образуют внутренний коллектор, который для возможности прохождения потока сообщен с внутренними областями пластин посредством надлежащим образом расположенных отверстий (не показаны) через слои пластин у правых концов пластин. Эти отверстия через слои пластин для возможности прохождения потока также сообщают друг с другом внутренние отверстия 205 промежуточных деталей 201 и внутренние отверстия в промежуточных деталях, расположенных выше и ниже промежуточных деталей 201.
В случае этой конфигурации, которая представлена в качестве примера, поток 207 газа протекает вверх через внутренний коллектор, образованный отверстиями 203 и отверстиями над ними, и затем протекает по горизонтали через внутренние области пластин. Газ из внутренних областей пластин затем протекает вниз через внутренний коллектор, образованный отверстиями 205 и отверстиями над ними, и покидает модуль в виде потока 209 газа. Второй газ 211 в области модуля, служащей для входа газа, протекает через внешнюю область модуля с каждой стороны промежуточных деталей 201 и входит в контакт с наружными поверхностями пластин 200. Газ 213 после контакта с наружными поверхностями пластин 200 протекает через область модуля, служащую для выпуска потока газа. Модуль может работать в типичном температурном диапазоне от 600 до 1100°С.
Модуль согласно фиг. 2А может быть использован как часть реакторной системы для выполнения окисления, в которой типичный газ 211 представляет собой газ, являющийся реагентом, а типичный газ 207 представляет собой газ, являющийся окислителем, или газ, содержащий кислород. Газ 207, содержащий кислород, протекает по внутреннему коллектору через отверстия 203 и через внутренние области пластин, при этом кислород проникает через активный материал мембраны в плоских элементах пластин, а газ 209 с обедненным содержанием кислорода протекает из модуля через отверстия 205. Проникший кислород вступает в реакцию с компонентами-реагентами в газе-реагенте или питающем газереагенте 211, когда газ протекает по наружным поверхностям пластин и образует продукты окисления. Газ 213, выходящий из модуля, содержит продукты окисления и компоненты, не вступившие в реакцию. В варианте, представленном в качестве примера, газ-реагент 211 содержит метан или метансодержащий входящий газ, выходящий газ 213 представляет собой смесь не вступивших в реакцию метана, водорода, оксидов углерода и воды, кислородсодержащий газ 207 представляет собой воздух, а газ 209 с обедненным содержанием кислорода обогащен азотом и обеднен кислородом по отношению к газу 207. Обычно давление газов 211 и 213 выше, чем давление газа во внутренней области модуля.
Альтернативный боковой вид модуля согласно фиг. 1 показан на фиг. 2В, которая демонстрирует представленную в качестве примера конфигурацию для использования при выполнении способов извлечения высокочистого кислорода из кислородсодержащего газа. В этом примере промежуточные детали 215 между пластинами 217 имеют отверстия 219, при этом отверстия 219 и дополнительные отверстия в промежуточных деталях, расположенных под промежуточными деталями 215, образуют внутренний коллектор, который для возможности прохождения потока сообщается со внутренними областями пластин. При этом отверстие 221 для возможности прохождения потока обеспечивает сообщение между внутренней областью модуля и трубкой (не показана) для газообразного продукта. Газ 223, содержащий кислород, например воздух, в области модуля, служащей для входа газа, протекает через внешнюю область модуля с каждой стороны промежуточных деталей 215 и входит в контакт с наружными поверхностями пластин 217. После контакта с наружными поверхностями пластин 217 газ 225 с обедненным содержанием кислорода протекает через область модуля, служащую для выхода газа. Модуль может работать в типичном температурном диапазоне от 600 до 1100°С.
Когда газ, содержащий кислород, протекает через внешнюю область модуля и происходит контакт газа с наружными поверхностями пластин, кислород проникает через активный материал мембран в плоских элементах пластин и высокочистый газообразный кислород скапливается во внутренней области модуля. Газообразный продукт 227 в виде высокочистого кислорода протекает из отверстия 221. Обычно давление газов 223 и 225, содержащих кислород, выше, чем давление высокочистого кислорода во внутренней области модуля.
Одна из возможных, взятых в качестве примера конфигураций внутренних областей пластин согласно фиг. 1, 2А и 2В представлена на видах в сечении, показанных на фиг. 3А и 3В. Как показано на фиг. 3А, которая представляет собой сечение 2-2 на фиг. 1, пластина имеет наружные опорные слои 301
- 8 010699 и 303 из пористого керамического материала, который обеспечивает возможность протекания газа через поры. Плотные активные мембранные слои 305 и 307 находятся в контакте с наружными опорными слоями 301 и 303 и опираются посредством опорных ребер 321 и 329, которые представляют собой часть слоев 315 и 317 каналов для прохождения потока. Эти ребра, в свою очередь, удерживаются посредством опорного слоя 309, который имеет отверстия или прорези 313 для прохождения потока газа. Открытые каналы 319 и 325 сообщаются через отверстия или прорези 313 для возможности прохождения потока. Как вариант, опорные слои 301 и 303 могут не потребоваться, когда модуль согласно фиг. 2В используют для извлечения кислорода из газа, содержащего кислород.
Термин плотный относится к керамическому материалу, через который, когда он спечен или обожжен, не может протекать газ. Газ не может протекать через плотные керамические мембраны, изготовленные из материала, состоящего из смешанных проводящих многокомпонентных оксидов металлов, когда мембраны не повреждены и не имеют трещин, отверстий или нарушений структуры, которые приводили бы к утечкам газа. Ионы кислорода могут проникать через плотные керамические мембраны, изготовленные из материала, состоящего из смешанных проводящих многокомпонентных оксидов металлов, при повышенных температурах, обычно составляющих более 600°С.
На фиг. 3В, которая представляет собой сечение 4-4 согласно фиг. 2А и 2В, показан участок пластины, повернутый на 90° относительно фиг. 3А. Это сечение демонстрирует идентичные виды наружных опорных слоев 301 и 303 и плотных слоев 305 и 307 активного материала мембраны. Это сечение также демонстрирует поочередные виды опорного слоя 309 с прорезями и слоев 315 и 317 канала для прохождения потока. Открытые каналы 331 образованы между чередующимися опорными ребрами 333 и обеспечивают возможность прохождения потока газа через внутреннюю область пластины. Поэтому внутренняя область пластины определена как объединенный открытый объем внутри слоя 315 канала для прохождения потока, слоя 317 канала для прохождения потока и опорного слоя 309 с прорезями.
Плотные активные слои 305 и 307 мембраны предпочтительно содержат керамический материал из смешанных оксидов металлов, включающий в себя по меньшей мере одно смешанное проводящее многокомпонентное соединение из оксидов металлов, имеющее общую формулу (ЬахСа1-х)уЕеО3-8, где 1,0>х>0,5, 1,1>у>1,0, а δ представляет собой число, которое обеспечивает нейтральный заряд рассматриваемой композиции. Для пористых опорных слоев 301 и 303 может быть использован любой приемлемый материал, и этот материал, например, может представлять собой керамический материал, имеющий ту же самую композицию, что и композиция активных мембранных слоев 305 и 307. Предпочтительно, чтобы пористые опорные слои 301 и 303 представляли собой смешанный проводящий многокомпонентный материал из оксидов металлов. Для структурных элементов опорного слоя 309 с прорезями и слоев 315 и 317 канала для прохождения потока может быть использован любой приемлемый материал, и этот материал может, например, представлять собой керамический материал, имеющий такую же композицию, что и композиция активных мембранных слоев 305 и 307. Материал опорного слоя с каналами предпочтительно представляет собой плотный керамический материал. В одном из вариантов конструкции активные мембранные слои 305 и 307, пористые опорные слои 301 и 303, опорный слой 309 с прорезями и содержащие каналы слои 315 и 317 для прохождения потока могут быть изготовлены из материала, имеющего одну и ту же композицию.
Плотные активные мембранные слои 305 и 307, как вариант, могут включать в себя один или более катализаторов для восстановления кислорода, находящихся со стороны окислителя. Катализатор или катализаторы могут содержать металлы или соединения, содержащие металлы, выбранные из группы, состоящей из платины, палладия, рутения, золота, серебра, висмута, бария, ванадия, молибдена, церия, празеодимия, кобальта, родия и марганца.
Пористые опорные слои 301 и 303, как вариант, могут включать в себя один или более катализаторов для содействия окислению углеводорода, реформингу и/или другим реакциям, которые происходят в пористом слое. Катализатор или катализаторы могут быть расположены на любой или на обеих поверхностях пористых опорных слоев 301 и 303 либо, как вариант, могут быть расположены по всему слою. Один или более катализаторов могут содержать металлы или соединения, содержащие металлы, выбранные из группы, состоящей из платины, палладиия, родия, рутения, иридия, золота, никеля, кобальта, меди, калия и их смесей. Если это желательно по конструктивной причине и/или по причине ведения способа, соответственно, между активными мембранными слоями 305 и 307 и смежными слоями 315 и 317 каналов для прохождения потока может быть расположен дополнительный пористый слой.
Другая возможная конфигурация внутренних областей пластин для применения согласно фиг. 1, 2А и 2В с целью извлечения кислорода представлена на видах в сечении согласно фиг. 3С и 3Ό. Как показано на фиг. 3С, которая представляет собой сечение 2-2 согласно фиг. 1, пластина имеет наружные плотные слои 351 и 353. Пористые керамические слои 355 и 357 находятся в соприкосновении с наружными плотными слоями 351 и 353. Пористый керамический слой 355 удерживают посредством опорных ребер 371, которые представляют собой часть слоя 365 каналов для прохождения потока. Пористый керамический слой 355 находится в соприкосновении с каналами 366 для прохождения потока, которые представляют собой часть слоя 365 каналов для прохождения потока. Пористый керамический слой 357 находит
- 9 010699 ся в соприкосновении с каналами 368 для прохождения потока, которые составляют часть слоя 367 каналов для прохождения потока.
Удерживание ребер 371, в свою очередь, происходит посредством слоя 358 каналов для прохождения потока, который имеет отверстия или прорези 363 для потока газа. Слой 367 каналов для прохождения потока удерживают посредством ребер 373 слоя 359 каналов, а перемычки 379 образуют концы каналов 368. Перемычки 372 образуют концы каналов 363 для прохождения потока, а каналы 368 для возможности прохождения потока сообщены с каналами 374 слоя 359 каналов. Открытые каналы 374 и 363 сообщены друг с другом для возможности прохождения потока.
На фиг. 3Ό, которая представляет собой сечение 4-4 согласно фиг. 2А и 2В, показано сечение пластины, повернутое на 90° относительно сечения согласно фиг. 3С. Это сечение представляет собой идентичный вид наружных плотных слоев 351 и 353 и пористых керамических слоев 355 и 357. Пористый керамический слой 355 удерживают посредством слоя 365 каналов для прохождения потока. Пористый керамический слой 355 находится в соприкосновении с каналами 366 для прохождения потока, которые составляют часть слоя 365. Пористый керамический слой 357 удерживают посредством ребер 378 слоя 367 каналов для прохождения потока. Пористый слой 357 для возможности прохождения потока сообщен с каналами 368, которые составляют часть слоя 367.
Ребра 378, в свою очередь, удерживают посредством слоя 359 каналов для прохождения потока, который имеет отверстия или прорези 374 для потока газа. Слой 365 каналов для прохождения потока удерживают посредством ребер 375 слоя 358 каналов. Перемычки 371 образуют концы каналов 366. Перемычки 376 образуют концы каналов 374, при этом для возможности прохождения потока каналы 366 сообщены с каналами 363 слоя 358. Открытые каналы 374 и 363 сообщены для возможности прохождения потока.
Следовательно, внутренняя область пластины определена как комбинированный открытый объем внутри слоя 365, слоя 367, слоя 358 и слоя 359 каналов для прохождения потока. Каналы для прохождения потока в слоях 365 и 358 могут быть ортогональными друг к другу, что может иметь место и в отношении каналов в слоях 367 и 359. Как вариант, каналы 358 и 359 могут быть заменены одним слоем, который содержит каналы, отходящие от центра пластины и для возможности прохождения потока сообщающиеся с центральным отверстием в центре пластины.
Примеры композиций для плотной активной мембраны раскрыты в патенте США 6056807, который введен сюда посредством ссылки на него. Слои 351 и 353 плотной активной мембраны предпочтительно содержат керамический материал из смешанных оксидов металлов, включающий в себя по меньшей мере одно смешанное многокомпонентное соединение из оксидов металлов, имеющее общую формулу (Ьах8г1-х)СОуО3-5, где 1,0<х<0,4, 1,02>у>1,0, а δ представляет собой число, которое обеспечивает для рассматриваемой композиции нейтральный заряд. Для пористых опорных слоев 355 и 357 может быть использован любой приемлемый керамический материал, при этом он, например, может представлять собой материал с той же самой композицией, что и материал активных мембранных слоев 351 и 353. Предпочтительно, чтобы пористые опорные слои 355 и 357 были выполнены из материала, состоящего из смешанных проводящих многокомпонентных оксидов металлов. Для структурных элементов слоев 365, 367, 358 и 359 каналов для прохождения потока может быть использован любой приемлемый материал, и этот материал может, например, представлять собой керамический материал, имеющий ту же самую композицию, что и композиция активных мембранных слоев 351 и 353. Материал содержащих каналы слоев для прохождения потока предпочтительно представляет собой плотный керамический материал. В одном из вариантов осуществления конструкции активные мембранные слои 351 и 353, пористые опорные слои 355 и 357 и содержащие каналы слои 358, 359, 365 и 367 могут быть изготовлены из материала, имеющего одну и ту же композицию.
Как вариант, пористый слой может быть нанесен на наружную поверхность плотных слоев 351 и 353. Другие представленные в качестве примера конфигурации для внутренних областей пластин, применяемых для получения кислорода, приведены в патенте США 5681373, который введен сюда посредством ссылки на него.
В вариантах осуществления настоящего изобретения используют некоторое количество последовательно расположенных мембранных модулей, как указано выше. Последовательные модули, в свою очередь, могут быть установлены в одном или более аппаратах с соответствующими каналами для удерживания потока газа, трубками и/или коллекторами для направления потоков газа к модулям и от них. Один из таких вариантов конструкции показан на фиг. 4А, которая представляет собой схематический боковой вид внутренней части взятого в качестве примера разделительного аппарата с мембранами, предназначенного для использования при получении высокочистого кислорода из газа, содержащего кислород. Мембранные модули 401, 403, 405, 407 и 409 последовательно установлены в произвольном канале 411 для удерживания потока, находящемся внутри аппарата 413 высокого давления. Эти мембранные модули, например, могут быть подобны модулю, описанному выше со ссылками на фиг. 1 и 2В. Произвольный канал 411 для удерживания потока имеет вход 415 для направления входящего газового потока 417 через канал с целью введения в контакт с наружными поверхностями пластин в модулях 401 и 409. Входящий
- 10 010699 газовый поток представляет собой находящийся под давлением кислородсодержащий окисляющий газ, например воздух, который каким-либо приемлемым способом (не указан) нагревают до температуры от 600 до 1100°С. Давление газа внутри канала 411 может находиться в диапазоне от 0,2 до 8 МПа. Канал для удерживания потока предпочтительно содержит стойкий к окислению металлический сплав, включающий в себя железо и один или более из элементов, выбранных из группы, содержащей никель и хром. Коммерчески доступные сплавы, которые могут быть использованы для выполнения каналов, удерживающих поток, включают в себя сплавы Науиек® 230, 1псо11оу 800Н, Науиек® 214 и 1псопе1® 693.
Давление газа во внутренней части канала 411 для удерживания потока предпочтительно больше, чем давление газа во внутренней части аппарата 413 высокого давления между внутренней стенкой аппарата и наружной стенкой канала 411. Разность давлений между внутренней частью и наружной частью канала 411 в любой точке между входом и выходом аппарата 413 высокого давления предпочтительно удерживают на уровне значения, равного нулю или большего нуля, при этом давление во внутренней части канала равно давлению в аппарате высокого давления снаружи канала либо больше этого давления. Это может быть достигнуто, например, посредством продувки пространства снаружи канала газом под более низким давлением, чем давление участвующего в способе газа внутри канала, обеспечения сообщения для возможности прохождения потока между пространством снаружи канала и участвующим в способе газом в канале у выхода 421 для этого газа, введения чистого газа в пространство снаружи канала или удаления чистого газа через выход с использованием устройств управления давлением на выходе для чистого газа с целью сохранения в пространстве снаружи канала давления более низкого, чем давление внутри канала.
Когда газ, содержащий кислород, последовательно проходит по поверхностям пластин в мембранных модулях 401-409, кислород проникает через плотные слои активной мембраны и скапливается во внутренних областях модулей. Поток газа 419 с обедненным содержанием кислорода выходит из канала и аппарата высокого давления через выход 421. Проникший продукт в виде высокочистого кислорода из внутренних областей модулей протекает через первичные коллекторы 423, 425, 427, 429 и 431, вторичные коллекторы 433, 435, 437, 439 и 441 и основной коллектор 445 и выходит из системы в виде потока 447 чистого газообразного продукта. По меньшей мере два из мембранных модулей 401-409 определяют ось модулей, которая может быть параллельна оси аппарата 413 высокого давления или оси канала 411 для удерживания поток, либо может совпадать с этими осями.
Хотя приведенный в качестве примера мембранный разделительный аппарат, который описан выше, имеет один вход для подачи газа к мембранным модулям, один канал для удерживания потока и один выход из мембранных модулей, возможны и другие варианты, в которых может быть использовано некоторое количество входов, совокупность каналов для удерживания потока и/или некоторое количество выходов. Например, аппарат высокого давления может иметь два (или более) канала для удерживания потока, каждый из которых имеет один или более входов и один или более выходов. В целом, когда разделительный аппарат описан как имеющий вход и выход, это означает, что он имеет один или более входов и один или более выходов. В целом, когда разделительный аппарат описан как имеющий канал для удерживания потока, это означает, что он имеет один или более каналов для удерживания потока.
Другой вид представленного в качестве примера мембранного разделительного аппарата согласно фиг. 4А приведен посредством сечения 6-6, показанного на фиг. 4В. В этом варианте осуществления конструкции группа из трех параллельных мембранных модулей 401а, 401Ь и 401с установлена в канале 411 и имеет три первичных коллектора 423а, 423Ь и 423с, которые соединены с вторичным коллектором 433. Вторичный коллектор 433, в свою очередь, соединен с основным коллектором 445. Как вариант, в каждой группе могут быть использованы один мембранный модуль, два параллельных мембранных модуля или более трех параллельных мембранных модулей.
В то время, как в вариантах конструкции согласно фиг. 4А и 4В вторичные коллекторы 433, 435, 437, 439 и 441 и основной коллектор 445 расположены во внутренней части аппарата 413 высокого давления, в альтернативном варианте конструкции эти коллекторы могут быть расположены с наружной стороны аппарата высокого давления. В таком альтернативном варианте первичные коллекторы 423, 425, 427, 429 и 431 должны проходить через стенку аппарата 413 высокого давления.
В альтернативном варианте осуществления конструкции плоские мембранные модули с 401 по 409 могут быть заменены трубчатыми мембранными модулями, расположенными последовательно относительно продольного потока газа через произвольный канал 411. В этих модулях может быть использовано некоторое количество одиночных трубок или могут быть использованы трубки байонетного типа, причем модули могут быть ориентированы таким образом, что газ будет протекать через трубки при поперечном потоке или будет входить в соприкосновение с трубками при параллельном потоке. В этом альтернативном варианте конструкции все коллекторы расположены внутри аппарата высокого давления, как показано на фиг. 4А и 4В.
Еще один вариант осуществления конструкции согласно изобретению показан на фиг. 5, которая представляет собой схематический боковой вид внутренней части приведенного в качестве примера мембранного реакторного аппарата для использования при выполнении способов окисления. Мембранные модули 501, 503, 505, 507 и 509 последовательно устанавливают в канале 511 для удерживания по
- 11 010699 тока внутри аппарата 513 высокого давления. Эти мембранные модули, например, могут быть подобны модулям, описанным выше со ссылкой на фиг. 1 и 2 А. Произвольный канал 511 для удерживания потока имеет вход 515 для направления питающего потока 517 газа через канал для контакта с наружными поверхностями пластин в модулях 501-509. Входящий поток газа представляет собой питающий газ-реагент, содержащий один или более компонентов, которые вступают в реакцию с кислородом при повышенных температурах, при этом питающий газ-реагент нагревают посредством какого-либо подходящего способа (не указан) до температуры от 600 до 1100°С. Давление газа внутри канала 511 может находиться в диапазоне от 0,2 до 8 МПа. Примером питающего газа-реагента является смесь пара и природного газа, при этом природный газ, главным образом, содержит метан с меньшими количествами легких углеводородов. Смесь может быть подвергнута предварительному преобразованию при температуре ниже примерно 800°С для получения питающего газа-реагента, содержащего пар, метан и оксиды углерода. Другие входящие окисляемые газы-реагенты могут включать в себя, например, различные смеси водорода, монооксиды углерода, пара, метанола, этанола и легких углеводородов.
Давление газа внутри канала 511 для удерживания потока предпочтительно выше, чем давление газа внутри аппарата 513 высокого давления между внутренней стенкой аппарата и наружной стенкой канала 511. Разность давлений между внутренней частью и наружной частью канала 511 в любой точке между входом и выходом аппарата 513 высокого давления предпочтительно сохраняют на уровне величины, равной нулю или большей нуля, при этом давление внутри канала равно давлению в аппарате снаружи от канала либо больше этого давления. Это может быть обеспечено, например, посредством продувки пространства снаружи канала газом под более низким давлением, чем давление газа, участвующего в проведении способа, который находится внутри канала, посредством сообщения, обеспечивающего возможность прохождения потока, между пространством снаружи канала и газом, участвующим в проведении способа, в канале у выхода 559 для этого газа, либо посредством введения продувочного газа в пространство снаружи от канала и удаления продувочного газа через выход с использованием устройств управления давлением на выходе для продувочного газа, чтобы сохранять в пространстве снаружи канала более низкое давление, чем давление внутри канала.
Внутренние области мембранных модулей 501-509 для возможности прохождения потока сообщены с двумя коллекторными системами: одной для введения в модули содержащего кислород окисляющего газа и другой для удаления из модулей окисляющего газа с обедненным содержанием кислорода. Первая из этих коллекторных систем включает основной впускной коллектор 519, первичные впускные коллекторы 521, 523, 525, 527 и 529 и вторичные впускные коллекторы 531, 533, 535, 537 и 539. Вторая из этих коллекторных систем включает основной выпускной коллектор 541 и первичные выпускные коллекторы 543, 545, 547, 549 и 551.
В случае конфигурации (не показана), альтернативной по отношению к конфигурации согласно фиг. 5, вторичные впускные коллекторы 531, 533, 535, 537 и 539 могут быть объединены с первичными выпускными коллекторами 543, 545, 547, 549 и 551, соответственно, при их расположении внутри канала 511 для удерживания потока. Два коллектора могут быть объединены посредством установки первой или внутренней трубки внутри второй или наружной трубки, при этом первая трубка обеспечивает первый коллектор, а кольцо между трубками обеспечивает второй коллектор. Трубки могут быть концентричны или коаксиальны; как вариант, трубки могут и не быть концентричными или коаксиальными, а могут иметь отдельные параллельные или непараллельные оси. Такая конфигурация внутренней и наружной трубок для обеспечения функции объединенного коллектора определена здесь как гнездовой коллектор.
В случае указанной альтернативной конфигурации газ 553 должен протекать через центральную трубку, а газ 555 должен протекать через кольцо каждой группы этих гнездовых коллекторов. Гнездовые коллекторы должны обеспечивать переход к отдельным коллекторам снаружи от канала 511 для удерживания потока, то есть должны обеспечивать переход к вторичным впускным коллекторам 531, 533, 535 и 539 и к первичным выпускным коллекторам 543, 545, 547, 549 и 551, как показано на фиг. 5. Как вариант, первичные выпускные коллекторы 543, 545, 547, 549 и 551 могут быть вставлены внутри вторичных впускных коллекторов 531, 533, 535, 537 и 539, соответственно, в канале 511 для удерживания потока. В этом варианте газ 555 должен протекать через центральную трубку, а газ 553 должен протекать через кольцо каждой группы этих вставленных один в другой коллекторов. Поэтому, в целом, термины вторичные впускные коллекторы и первичные выпускные коллекторы могут означать, что они вставлены друг в друга при расположении внутри канала 511 для удерживания потока, причем любой из вторичного впускного коллектора или первичного выпускного коллектора может быть создан посредством кольца.
Нагретый, находящийся под давлением и содержащий кислород окислительный газ 553, например воздух, который нагревают с помощью какого-либо приемлемого способа (не указан) до температуры от 600 до 1100°С, входит в основной впускной коллектор 519 и протекает через первичные впускные коллекторы 521, 523, 525, 527 и 529 и вторичные впускные коллекторы 531, 533, 535, 537 и 539 ко входам мембранных модулей 501, 503, 505, 507 и 509. Кислород из газа, являющегося окислителем, во внутренних областях мембранных модулей проникает через плотные активные мембранные слои в пластинах модулей 501-509, а проникший кислород вступает в реакцию с реакционноспособными компонентами во внешних областях мембранных модулей. Окислительный газ с обедненным содержанием кислорода вы
- 12 010699 ходит из выходов внутренних областей мембранных модулей через первичные выпускные коллекторы 543, 545, 547, 549 и 551 и основной выпускной коллектор 541, а конечный окислительный газ с обедненным содержанием кислорода удаляют в виде газового потока 555. Выходящий газовый поток 557, который содержит продукты реакции и поданные компоненты, не вступившие в реакцию, удаляют из реакторной системы через выход 559.
Хотя взятый в качестве примера реакторный аппарат, который описан выше, имеет один вход для подачи газа-реагента к мембранным модулям, один канал для удерживания потока и один выход из мембранных модулей, возможны и другие варианты конструкции, в которых может быть использовано некоторое количество входов, совокупность каналов для удерживания потока и/или некоторое количество выходов. Например, аппарат высокого давления может иметь два или более каналов для удерживания потока, при этом каждый из них имеет один или более входов и один или более выходов. В целом, когда реакторный аппарат описан как имеющий вход и выход, это означает, что он имеет один или более входов и один или более выходов. В целом, когда реакторный аппарат описан как имеющий канал для удерживания потока, это означает, что он имеет один или более каналов для удерживания потока.
Другой вид приведенного в качестве примера мембранного реакторного аппарата согласно фиг. 5 представлен посредством сечения 8-8, показанного на фиг. 6. В этом варианте осуществления конструкции группу из трех параллельных мембранных модулей 503а, 503Ь и 503с устанавливают в канале 511. Газ, являющийся окислителем, протекает через основной впускной коллектор 519, первичный впускной коллектор 523 и вторичные впускные коллекторы 533а, 533Ь и 533с ко входам мембранных модулей 503а, 503Ь, 503с. Являющийся окислителем газ с обедненным содержанием кислорода выходит из мембранных модулей 503а, 503Ь и 503с через первичные выпускные коллекторы 545а, 545Ь и 545с (расположенные позади вторичных впускных коллекторов 533а, 533Ь и 533с), вторичный выпускной коллектор 561 и основные выпускные коллекторы 541а и 541Ь. Хотя в вариантах осуществления конструкции согласно фиг. 6 показаны три параллельных мембранных модуля, по желанию, могут быть использованы один мембранный модуль, два параллельных мембранных модуля или более трех параллельных мембранных модулей.
Во входе 415 аппарата 413 высокого давления и/или во входе 515 к аппарату 513 высокого давления может быть установлен защитный слой (не показан) для удаления микропримесей из входящего потока 417 и/или 517. Как вариант, защитный слой может быть установлен во внутренней части аппарата высокого давления между входом и первым мембранным модулем. Примеси, например, могут включать в себя газообразные группы, содержащие серу, хром и/или кремний. Защитный слой может содержать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из оксида магния, оксида кальция, оксида меди, карбоната кальция, карбоната натрия, карбоната стронция, оксида стронция, оксида цинка и перовскитов, содержащих щелочно-земельные элементы. Эти материалы вступают в реакцию с загрязнениями и удаляют их из входного потока газа-реагента или газа, содержащего кислород.
Последовательно с аппаратом 413 высокого давления могут быть установлены дополнительные аппараты высокого давления, при этом газ, выходящий из одного аппарата, будет подан к другому аппарату. Дополнительные аппараты высокого давления могут быть расположены параллельно, при этом некоторое количество аппаратов высокого давления действует параллельно и последовательно. Подобным же образом дополнительные аппараты высокого давления могут быть установлены последовательно с аппаратом 513 высокого давления, так что газ, выходящий из одного аппарата, будет подан к другому аппарату. Дополнительные аппараты высокого давления могут быть расположены параллельно, при этом некоторое количество аппаратов высокого давления действует параллельно и последовательно. При необходимости, между какими-либо последовательными аппаратами высокого давления могут быть расположены защитные слои.
В описанных выше вариантах осуществления конструкции желательно использовать внутреннюю изоляцию для сохранения температуры стенок аппаратов 413 и 513 высокого давления, которая была бы ниже температуры соответствующих мембранных модулей 401-409 и 501-509. Это может быть осуществлено посредством различных вариантов выполнения изоляции согласно фиг. 7-13, на которых представлены конфигурации изоляции для вариантов согласно фиг. 4А и 4В, используемых для извлечения кислорода из газа, содержащего кислород. Подобные конфигурации изоляции (не показаны) могут быть использованы для варианта реактора окисления согласно фиг. 5 и 6.
Первый из этих вариантов показан на фиг. 7, при этом изоляция 701 расположена внутри и может находиться в соприкосновении с внутренними стенками аппарата 703 высокого давления. В этом варианте канал для удерживания потока не используют; вместо этого, посредством самой изоляции образуют полость 705, и эта полость служит для направления потока газа по наружным областям мембранных модулей. Изоляция может находиться в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с, вторичным коллектором 433 и основным коллектором 445.
Вторая конфигурация изоляции представлена на фиг. 8, при этом изоляция 801 расположена вблизи от внутренней стенки аппарата 413 высокого давления и может находиться в соприкосновении с ней. В этом варианте осуществления конструкции используют канал 411 для удерживания потока, причем предпочтительно не находящийся в соприкосновении с изоляцией 801. Предпочтительно, чтобы изоля
- 13 010699 ция не находилась в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с, вторичным коллектором 433 и основным коллектором 445.
Третья конфигурация изоляции представлена на фиг. 9, при этом изоляция 901 полностью заполняет внутреннюю область аппарата высокого давления между внутренними стенками аппарата и наружными поверхностями канала 411 для удерживания потока, первичных коллекторов 423а, 423Ь и 423с, вторичного коллектора 433 и основного коллектора 445. Изоляция может находиться в соприкосновении со внутренними стенками аппарата и наружными поверхностями канала 411 для удерживания потока, первичных коллекторов 423а, 423Ь и 423с, вторичного коллектора 433 и основного коллектора 445.
Еще одна альтернативная конфигурация изоляции представлена на фиг. 10, при этом изоляция 1001 образует полость 1003 вокруг мембранных модулей и эта полость служит для направления потока газа по внешним областям модулей. Изоляция 1001 может находиться в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с и обычно не находится в соприкосновении с внутренними стенками аппарата 413 высокого давления.
На фиг. 11 представлена еще одна альтернативная конфигурация изоляции, при этом изоляция 1101 окружает канал 411 для удерживания потока, который, в свою очередь, окружает мембранные модули, как описано выше. Изоляция 1101 может находиться в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с и обычно не находится в соприкосновении со внутренними стенками аппарата 413 высокого давления и с наружной поверхностью канала 411 для удерживания потока.
Еще одна конфигурация изоляции представлена на фиг. 12, при этом изоляция 1201 окружает канал 411 для удерживания потока, который, в свою очередь, окружает мембранные модули, как описано выше. Изоляция 1201 может находиться в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с, обычно находится в соприкосновении с наружной поверхностью канала 411 для удерживания потока и обычно не находится в соприкосновении с внутренними стенками аппарата 413 высокого давления.
Последняя конфигурация изоляции представлена на фиг. 13, при этом изоляция 1303 расположена внутри и обычно в соприкосновении с внутренними стенками канала 411 для удерживания потока, причем изоляция образует полость 1305 вокруг мембранных модулей и эта полость служит для направления потока газа по внешним областям модулей. Изоляция 1303 может находиться в соприкосновении с первичными коллекторами 423а, 423Ь и 423с.
В любом из описанных выше вариантов осуществления конструкции согласно фиг. 7-13 в первичных коллекторах 423а, 423Ь и 423с обычно используют уплотнение металла относительно керамики для перехода от металлических коллекторов к керамическим модулям. Подобным же образом, в варианте осуществления конструкции реактора окисления согласно фиг. 6 и в соответствующих вариантах осуществления изоляции, подобных вариантам, показанным на фиг. 7-13, в первичных коллекторах 533а, 533Ь и 533с обычно используют уплотнение металла относительно керамики для перехода от металлических коллекторов к керамическим модулям. В вариантах осуществления конструкции согласно фиг. 10-13 (и подобных вариантах конструкции реактора окисления) эти уплотнения предпочтительно размещают внутри изоляции 1001, 1101, 1201 и 1303 (в контакте с коллекторами 423а, 423Ь и 423с, но не с коллектором 433) для обеспечения желаемых рабочих температур уплотнения.
В любом из вариантов осуществления конструкции согласно фиг. 7-13 вокруг наружной поверхности аппарата высокого давления может быть расположена дополнительная изоляция (не показана), например, для защиты рабочего персонала от, возможно, горячей поверхности аппарата. Эта дополнительная изоляция также может служить для гарантии того, что внутренняя часть аппарата будет находиться при температуре выше температуры конденсации какого-либо газа внутри аппарата. В каком-либо из вариантов осуществления конструкции согласно фиг. 10-13 дополнительная изоляция (не показана) может быть расположена вблизи от внутренней поверхности аппарата высокого давления. В каком-либо из вариантов осуществления конструкции согласно фиг. 4 А, 4В и 5-13 любой из коллекторов может быть изолирован внутри и/или снаружи (не показано). Такая изоляция должна служить для повышения равномерности температурного расширения канала 411 для удерживания потока и коллекторов.
Изоляция, используемая в вариантах осуществления конструкции согласно фиг. 7-13, может содержать оксид алюминия, алюмосиликат, кремнезем, силикат кальция или другие обычные изоляционные материалы, пригодные для их использования при повышенных температурах. Изоляция, например, может содержать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из волокнистого оксида алюминия, волокнистого алюмосиликата, пористого оксида алюминия и пористого алюмосиликата. В вариантах осуществления конструкции согласно фиг. 7, 10 и 13, в которых сама изоляция образует полость вокруг мембранных модулей, внутренние стенки полости могут быть покрыты или облицованы материалом, который препятствует контакту летучих компонентов изоляции с мембранными модулями. Например, полость может быть облицована фольгой, изготовленной из металла, например фольгой Науиек 214, препятствующей тому, чтобы паровые примеси, содержащие δί, которые могут быть образованы из изоляционных материалов, и/или паровые примеси, содержащие Сг, которые могут быть образованы из материалов металлических трубок, входили в соприкосновение с мембранными модулями.
Изоляция может включать в себя один или более дополнительных материалов, выбранных из группы, состоящей из оксида магния, оксида кальция, оксида меди, карбоната кальция, карбоната стронция, кар
- 14 010699 боната натрия, оксида цинка, оксида стронция и перовскитов, содержащих щелочно-земельные элементы, причем эти материалы могут быть нанесены на поверхность изоляции и/или рассеяны по изоляции. Эти дополнительные материалы могут быть использованы вместо описанных выше защитного слоя или слоев либо в дополнение к ним. Такие материалы вступают в реакцию с загрязняющими веществами, которые могут находиться во входном потоке газа-реагента, и удаляют эти загрязнения; загрязнения могут включать в себя, например, содержащие серу, хром, кремний или кислородсодержащие газообразные примеси.
Альтернативный вариант осуществления конструкции для расположения групп пластин в виде последовательной компоновки с возможностью прохождения потока показан на фиг. 14. В этом варианте из пластин и промежуточных деталей образован высокий пакет так, как было описано выше, при этом пакет установлен в аппарате высокого давления 1401. Входная магистраль 1403 и выходная магистраль 1405 соединены с узлом 1407 в виде кожуха газового коллектора, который направляет поток входящего газа 1408 для его протекания в поочередных направлениях через группы пластин и через выпускную магистраль 1405 в виде выходного потока 1409. В этом варианте осуществления конструкции пакет разделен узлом в виде кожуха на первую область 1411 с пластинами, вторую область 1413 с пластинами и третью область 1415 с пластинами. Поэтому поступающий газ 1408 последовательно протекает через области 1411, 1413 и 1415 с пластинами и выходит через выпускную магистраль 1405. Хотя здесь в иллюстративных целях показаны три области с пластинами, если требуется, может быть использовано любое число областей с пластинами.
Вариант осуществления конструкции согласно фиг. 14 может быть использован в качестве устройства для извлечения кислорода или в качестве реакторного устройства для выполнения окисления. При использовании в качестве устройства для извлечения кислорода пакет образуют из пластин и промежуточных деталей так, как описано ранее со ссылками на фиг. 1 и 2В. При выполнении способа извлечения кислорода входящий газ 1408 представляет собой нагретый, находящийся под давлением кислородсодержащий газ (например, воздух), выходной поток 1409 представляет собой кислородсодержащий газ с обедненным содержанием кислорода, а поток 1417, протекающий через выпускную магистраль 1419, представляет собой поток продукта в виде высокочистого кислорода, причем обычно при давлении, более низком, чем у находящегося под давлением кислородсодержащего газа. При использовании в качестве реакторной системы для выполнения окисления пакет образуют из пластин и промежуточных деталей так, как описано ранее со ссылками на фиг. 1 и 2А. При выполнении способа окисления входящий газ 1408 представляет собой нагретый, находящийся под давлением газ-реагент, а выходящий газ 1409 представляет собой смесь продуктов реакции окисления и не вступивших в реакцию компонентов газареагента. Поток 1417 представляет собой поток кислородсодержащего газа с обедненным содержанием кислорода, обычно находящийся под давлением более низким, чем у находящегося под давлением газареагента. Свежий кислородсодержащий окислительный газ (например, воздух) протекает в пакет через коллектор для внутреннего пакета, как описано со ссылкой на фиг. 2А; вход к этому коллектору на фиг. 14 не виден, поскольку он находится позади выпускной магистрали 1419.
Вариант осуществления конструкции согласно фиг. 14 может действовать с некоторым количеством аппаратов высокого давления, причем, по желанию, последовательно и/или параллельно. Если желательно, то в одном аппарате высокого давления может быть установлено некоторое количество модулей.
Ряды мембранных модулей могут быть расположены в виде групп параллельных модулей, как описано ранее со ссылками на фиг. 4 А, 4В, 5 и 6. Это показано на фиг. 15, которая представляет собой вид в сечении в плане (не в масштабе) канала 511 для удерживания потока и мембранных модулей внутри канала. В этом варианте осуществления конструкции, представленном в качестве примера, пять групп из трех параллельных модулей расположены таким образом, что каждый отдельный ряд последовательных модулей лежит на общей оси, то есть модули 501а, 503а, 505а, 507а и 509а лежат на одной оси, модули 501Ь, 503Ь, 505Ь, 507Ь и 509Ь лежат на одной оси и модули 501с, 503с, 505с, 507с и 509с также лежат на одной оси. Таким образом, в этом примере имеются три оси, что равно количеству модулей в каждой группе. Каждая группа содержит некоторое количество параллельных модулей, например модули 501а, 501Ь и 501с образуют одну группу параллельных модулей. Некоторое количество модулей также может быть расположено последовательно, например модули 501с, 503с, 505с, 507с и 509с составляют последовательные модули. Определение последовательные модули также может включать в себя группы модулей, например группа модулей 501а, 501Ь и 501с расположена последовательно с группой модулей 503а, 503Ь и 503с. Таким образом, конфигурация модулей согласно фиг. 15 включает в себя последовательные модули и параллельные модули.
На практике может оказаться желательным содействие значительному перемешиванию газа в радиальном направлении (то есть потока газа в направлениях, отклоняющихся от оси последовательных модулей) между последовательными группами модулей для доведения до минимума вредного влияния обхода газа вокруг мембранных модулей. При этом компоновку модулей согласно фиг. 15 наилучшим образом можно описать как включающую в себя параллельные модули и группы параллельных модулей, действующие последовательно. Как и в конструкции многих систем для распределения потока газа, степень радиального перемешивания может быть доведена до максимума посредством надлежащего выбора осевого и радиального промежутков между внутренними элементами (то есть мембранными модулями)
- 15 010699 и/или использования перегородок потока для содействия перемешиванию газа.
Входящий газовый поток 1501, поступающий во вход 1503, последовательно протекает по каждой группе радиально ориентированных (то есть параллельных) модулей. При соответствующем выборе осевого и радиального промежутков между модулями обходить модули 501а, 501Ь и 501с может некоторое количество газа, но, в итоге, газ будет входить в соприкосновение с модулями, находящимися далее по ходу, когда этот газ перемешивается или рассеивается в радиальном направлении. Выходящий газовый поток 1505 протекает через выход 1507. Газовый поток по каждой последовательной группе модулей определяет последовательную компоновку согласно этому варианту осуществления изобретения, в котором весь или почти весь газ из одной группы параллельных модулей входит в соприкосновение со следующей группой параллельных модулей в последовательности модулей. Любое желаемое количество модулей может быть использовано в параллельном радиальном направлении, и любое желаемое количество групп параллельных модулей может быть использовано в последовательном осевом направлении.
В альтернативном варианте осуществления конструкции согласно изобретению, относящемся к фиг. 4А и 4В либо к фиг. 5 и 6, группы параллельных мембранных модулей могут быть ориентированы в виде зигзагообразной или смещенной последовательной компоновки, так что за первой группой из трех модулей следует смещенная вторая группа из трех модулей, за которой, в свою очередь, следует смещенная третья группа из трех модулей и т.д. Это показано на фиг. 16, на которой за первой группой из трех модулей 502а, 502Ь и 502с следует вторая группа из трех модулей 504а, 504Ь и 504с, смещенная в направлении, перпендикулярном оси канала 511 для удерживания потока. Третья группа из трех модулей 506а, 506Ь и 506с смещена по отношению ко второй группе, но при этом модули коаксиальны с модулями в первой группе. Эта взаимосвязь со смещением может продолжаться подобным образом посредством четвертой группы модулей 508а, 508Ь и 508с и пятой группы модулей 510а, 510Ь и 510с. Каждая группа может содержать некоторое количество параллельных модулей, например модули 502а, 502Ь и 502с составляют одну группу параллельных модулей. Некоторое количество модулей также может быть расположено последовательно, например модули 502с, 504с, 506с, 508с и 510с могут составлять последовательные модули. Определение последовательные модули также может включать в себя группы модулей, например группа модулей 502а, 502Ь и 502с проходит последовательно с группой модулей 504а, 504Ь и 504с. Таким образом, компоновка модулей согласно фиг. 16 включает в себя последовательные модули и параллельные модули.
Модули согласно фиг. 16 лежат на шести осях, то есть модули 502с, 506с и 510с лежат на одной оси, модули 504с и 508с лежат на другой оси и т.д. Эти оси могут быть параллельны общему направлению потока газа по модулям. В этом варианте осуществления конструкции количество осей больше, чем количество модулей в каждой группе модулей.
В варианте осуществления конструкции согласно фиг. 16 входящий газовый поток 1601 входит через вход 1603 и протекает по модулям 502а, 502Ь и 502с в первой группе. Часть этого газа может обходить модуль 502а, но при отсутствии значительного радиального перемешивания будет, по меньшей мере, входить в контакт со смещенным модулем 504а. Газ, который протекает между модулями 502а, 502Ь и 502с, будет, по меньшей мере, входить в контакт с последующей последовательностью смещенных модулей 504Ь и 504с. Части газа, который протекает от модуля 502а в первой группе, будут входить в контакт по меньшей мере с двумя модулями (504а и 504Ь) во второй группе. Таким образом, эта компоновка со смещением препятствует обходу модулей газом прямо через зазор между рядами модулей на общей оси. Вместо этого, газ, обходящий любой модуль в группе модулей, будет непосредственным образом сталкиваться с модулем в следующей группе модулей. При отсутствии значительного радиального перемешивания по меньшей мере часть газа от одного или более модулей в группе будет входить в контакт с одним или более модулями в следующей группе, и это определяет последовательную компоновку модулей в данном варианте осуществления конструкции.
Таким образом, определение модулей, расположенных последовательно согласно настоящему изобретению, включает в себя оба описанных выше варианта осуществления конструкции со ссылкой на фиг. 15 и 16. В этих вариантах оси групп модулей и оси последовательных модулей, в целом, могут быть ортогональными по отношению друг к другу, при этом оси последовательных модулей, в целом, могут быть параллельны общему направлению потока газа через аппарат. Возможны альтернативные варианты осуществления конструкции, в которых оси групп модулей, в целом, не будут ортогональными по отношению к осям последовательных модулей и/или в которых оси последовательных модулей, в целом, не будут параллельны общему направлению потока газа через аппарат. В этих альтернативных вариантах группы модулей расположены под острыми углами к общему направлению потока газа через аппарат. Такие альтернативные варианты включены в определение модулей, расположенных последовательно согласно настоящему изобретению.
Описанная выше последовательная реакторная система может быть использована при выполнении окисления для производства синтез-газа из входящего газа, содержащего углеводороды, например из природного газа. В случае такого применения катализатор для выполнения преобразования может быть расположен между какими-либо последовательными модулями, какими-либо параллельными модулями, какими-либо последовательными и параллельными модулями и/или после конечных модулей в аппарате.
- 16 010699
Катализатор для выполнения преобразования способствует эндотермическим реакциям воды и/или диоксида углерода с углеводородами, главным образом, с метаном, для образования водорода и монооксида углерода. Может быть использован катализатор для завершения или уравновешивания экзотермических реакций окисления, которые происходят между проникшим кислородом и реагентами вблизи от поверхностей активного материала мембран в модулях. Посредством соответствующего использования катализатора для выполнения преобразования в стратегических точках между модулями в многомодульной последовательной реакторной системе температурные профили через реактор и вырабатываемую газовую композицию можно контролировать для достижения оптимальной реакторной операции.
Вариант осуществления настоящего изобретения представлен посредством взятого в качестве примера расположения приемлемого катализатора между модулями многомодульной последовательной окислительной реакторной системы. Например, если обратиться к фиг. 15, то катализатор 501ά, 501е и 501Г может быть последовательно расположен в пространстве между какими-либо модулями в первой группе модулей 501а, 501Ь и 501с и во второй группе модулей 503а, 503Ь и 503с. Как вариант, катализатор 501ά, 501е и 501Г может непрерывно проходить между внутренними стенками канала 511 для удерживания потока. Подобным же образом, катализатор может быть расположен между какими-либо или всеми из второй и третьей групп модулей, третьей и четвертой групп модулей, четвертой и пятой групп модулей или после пятой группы (не показано). Подобно указанному, катализатор может быть последовательно расположен между какими-либо или всеми из смещенных групп модулей в варианте осуществления конструкции согласно фиг. 16. Например, как показано на фиг. 16, катализатор 502ά, 502е и 502Г может быть последовательно расположен в пространстве между первой и второй группами модулей. Как вариант, катализатор 502ά, 502е и 502Г может непрерывно проходить между внутренними стенками канала 511 для удерживания потока. В целом, катализатор может быть последовательно расположен между какими-либо или всеми из последовательных групп модулей согласно фиг. 15 и 16 либо далее по ходу от них.
В дополнение к указанному или как вариант, катализатор может быть расположен между модулями в группе параллельных модулей для содействия преобразующим реакциям в газе, проходящим между модулями. Например, согласно фиг. 15 катализаторы 505ά и 505е могут быть расположены соответственно между модулями 505а и 505Ь и между модулями 505Ь и 505с. Как вариант, катализаторы 505ά и 505е могут непрерывно проходить в осевом направлении между первой и пятой группами модулей. Например, согласно фиг. 16 катализаторы 506ά и 506е могут быть расположены соответственно между модулями 506а и 506Ь и между модулями 506Ь и 506с. В целом, катализатор может быть расположен параллельно между какими-либо или всеми из параллельных модулей согласно фиг. 15 и 16.
Следовательно, если говорить о наиболее широком применении этой концепции, то катализатор может быть расположен в пространстве между двумя смежными модулями в вариантах осуществления конструкции согласно фиг. 15 и 16 или в каких-либо других вариантах конструкции как с последовательным, так и с параллельным расположением модулей. Кроме того, когда аппарат 513 высокого давления действует последовательно с другим подобным аппаратом высокого давления, катализатор может быть расположен между аппаратами таким образом, что газ, вытекающий из одного аппарата высокого давления, будет проходить через катализатор прежде, чем он пройдет во второй аппарат высокого давления.
Катализатор может быть изменен по типу и/или по величине в зависимости от осевого или радиального расположения среди модулей в аппарате высокого давления. В одном из вариантов активность катализатора, например, может быть изменена в осевом направлении для оптимального контроля температуры модуля по реактору. Например, участки катализатора вблизи от входа реактора могут содержать катализатор, который активен при пониженной температуре (то есть при высокой загрузке N1) в то время, как в областях более высоких температур реактора оптимальная композиция катализатора предполагает меньшую активность и большую термическую устойчивость (то есть при низкой загрузке N1). При этом оптимальная активность катализатора может быть обеспечена в каждом осевом местоположении в реакторе с сохранением термической стабильности катализатора. Возможны и другие компоновки катализатора, которые находятся в объеме вариантов осуществления конструкции согласно изобретению.
Катализатор для использования в этом варианте осуществления конструкции может включать в себя один или более металлов или соединений, содержащих металлы, выбранные из группы, состоящей из никеля, кобальта, платины, золота, палладия, родия, рутения и железа. Катализатор можно удерживать на оксиде алюминия или других носителях в виде оксидов, при этом он может включать в себя добавки, например лантан или калий. Катализатор может быть расположен между модулями с помощью какихлибо известных средств, включая, например, использование монолитов или использование гранулированных катализаторов в соответствующих держателях катализаторов, которые установлены в пространствах между модулями.
В мембранных системах для ионного транспорта, которые описаны выше, используют некоторое количество мембранных модулей, действующих последовательно, для применения при выполнении способов извлечения кислорода или окисления, при этом модули расположены в последовательной конфигурации при прохождении потока для управления количеством кислорода, извлекаемого через отдельный модуль, или степенью конверсии через отдельный модуль. Когда отдельные модули или группы из некоторого количества модулей расположены последовательно вдоль оси, которая, в целом, параллельна
- 17 010699 оси аппарата, длину аппарата определяет количество модулей или групп в последовательности. При некотором количестве модулей может потребоваться чрезмерно длинный аппарат, и во многих конструктивных случаях могут требоваться аппараты меньшей длины. Транспортирование чрезмерно длинных аппаратов может, например, вызвать затруднения и потребовать больших затрат. Кроме того, площадь участка в плане или посадочное место, требуемое для чрезмерно длинных аппаратов, может представлять собой проблему в случае применения в ограниченном пространстве, например в городских условиях, на морских платформах и судах. Далее, в определенных случаях применения значительно более короткие аппараты с несколько большим диаметром могут оказаться более эффективными с точки зрения затрат.
Решения этих проблем касаются последующие варианты осуществления настоящего изобретения с конструкцией аппаратов, которая включает в себя некоторое количество проходов для газа, протекающего по наружным поверхностям мембранных модулей. В одном из случаев применения четное количество проходов обеспечивает возможность расположения сопла для входа газа и сопла для выхода газа на одном и том же конце аппарата, уменьшая таким образом длину или сложность путей прохождения трубок к другому оборудованию для ведения способа, например к теплообменникам. Это может привести к получению более компактной сборки установки с уменьшением капитальных и производственных затрат, обеспечиваемым посредством уменьшения потерь тепла в трубках.
В описанных ранее системах с одним каналом или с некоторым количеством параллельных каналов газ, протекающий по наружной стороне мембран, протекает через аппарат с мембранными модулями преимущественно в осевом направлении, то есть поток преимущественно параллелен оси аппарата от его входа к выходу. Локальный неосевой поток может быть вызван столкновением потока газа с мембранными модулями, однако, основной поток протекает в осевом направлении. Ось аппарата, имеющая первый конец и второй конец, определена прямой линией, проходящей через аппарат от первого конца ко второму концу параллельно боковым сторонам.
Большинство аппаратов высокого давления имеет цилиндрическую форму, при этом в цилиндрических аппаратах ось будет общей с осью цилиндра и параллельной стенкам цилиндра.
Совокупность каналов для потока газа в различных вариантах осуществления настоящего изобретения обеспечивают посредством использования одной или более перегородок для управления потоком газа, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для подачи потока газа в любом направлении и/или для отклонения потока газа внутри аппарата в неосевом направлении. Например, перегородки для управления потоком газа могут быть установлены для изменения направления потока газа под углом, находящимся примерно между 90 и 180° по отношению к оси аппарата, как описано ниже. Возможно управление потоком газа в любом направлении по отношению к оси аппарата.
Перегородка для управления потоком газа определена как элемент какой-либо формы, расположенный или установленный внутри аппарата и предназначенный для придания направления потоку газа внутри аппарата и/или для изменения направления потока газа внутри аппарата. Перегородка для управления потоком газа отделена от стенок аппарата, однако, перегородка может быть прикреплена к стенке аппарата и может действовать согласованно со стенкой для управления потоком газа внутри аппарата и/или для придания направления этому потоку внутри аппарата. Перегородка для управления потоком газа отличается от мембранных модулей или катализатора, установленных внутри аппарата. Термины направление потока газа или направление газового потока эквивалентны и означают придание направления газу, протекающему по наружной стороне мембран между первым местоположением и вторым местоположением в аппарате. Хотя локальный газовый поток может содержать вихри, турбулентность или поперечные протекания, основной поток газа определяет направление протекания газа между первым местоположением и вторым местоположением.
Вариант осуществления конструкции с некоторым количеством проходов для потока газа представлен на фиг. 17А. Канал 1701 для удерживания потока внешне подобен вариантам согласно фиг. 15 и 16 и имеет наружные стенки 1703, вход 1705 и выход 1707. Канал может быть коаксиально установлен внутри аппарата высокого давления, как показано, например, на фиг. 4А и 5. Канал оснащен перегородкой 1709 для управления газовым потоком, подсоединенной к перегородке 1711 для управления газовым потоком. Канал также оснащен перегородкой 1713 для управления газовым потоком, подсоединенной к перегородке 1715. Канал, образованный нижней стенкой 1703, перегородкой 1709 для управления газовым потоком и перегородкой 1711 для управления газовым потоком, содержит мембранные модули 1717, 1719, 1721, 1723 и 1725. Канал, образованный перегородками 1709, 1711, 1713 и 1715 для управления газовым потоком, содержит мембранные модули 1727, 1729, 1731, 1733 и 1735. Канал, образованный перегородкой 1715 для управления газовым потоком, перегородкой 1713 для управления газовым потоком и верхней стенкой 1703, содержит мембранные модули 1737, 1739, 1741, 1743 и 1745. Эти мембранные модули могут представлять собой любой из ранее описанных модулей для выполнения способов извлечения кислорода или окисления.
Входящий газовый поток 1747 отклоняется посредством перегородки 1709 для управления потоком и последовательно протекает по мембранным модулям 1717, 1719, 1721, 1723 и 1725 в канале между стенкой 1703 и перегородкой 1711 для управления потоком. Газовый поток 1749 поворачивается на 180°
- 18 010699 по отношению к оси канала и к оси аппарата высокого давления посредством перегородки 1713 для управления газовым потоком и смежной части стенки 1703, при этом изменивший направление газ последовательно протекает по мембранным модулям 1727, 1729, 1731, 1733 и 1735 в канале между перегородками 1711 и 1715 для управления потоком. Газовый поток 1751 поворачивается на 180° посредством перегородки 1709 для управления газовым потоком и смежной части стенки 1703 аппарата, при этом изменивший направление газ протекает параллельно оси канала и оси аппарата высокого давления, последовательно проходя по мембранным модулям 1737, 1739, 1741, 1743 и 1745 в канале между перегородкой 1715 для управления газовым потоком и стенкой 1703. Выходящий газовый поток 1753 выходит из канала через выход 1707. Использование этих перегородок для управления газовым потоком обеспечивает придание последовательного направления потоку газа через мембранные модули 1717-1745 по длине канала и аппарата, которая приблизительно составляет одну треть длины канала и аппарата без этих перегородок.
Следовательно, газовые потоки 1747, 1749, 1751 и 1753 проходят по неосевым направлениям, когда газ, протекающий по наружной стороне мембран, изменяет направление так, как показано на фиг. 17А.
На фиг. 17В представлен вид в сечении 10-10 (повернуто на 90°) согласно фиг. 17А, показывающий поток газа через каналы, образованные перегородками для управления газовым потоком и стенками канала. Газовый поток 1747а (который вошел в контакт с модулем 1717) показан протекающим к плоскости согласно фиг. 17В в канал 1755, образованный стенкой 1703, перегородкой 1711 для управления газовым потоком, верхней стенкой 1712 канала и нижней стенкой 1714 канала, при этом газ протекает по мембранному модулю 1719 и последовательным модулям 1721-1725 (не показаны). Газовый поток 1749 повернут обратно и проходит по модулям 1727-1731 (не показаны) и 1733 через канал 1757, образованный перегородками 1711 и 1715 для управления газовым потоком, верхней стенкой 1712 канала и нижней стенкой 1714 канала, при этом газовый поток 1749а показан вытекающим из плоскости фиг. 17В. Этот газовый поток проходит по модулю 1735 (не показан), поворачивается на 180° посредством перегородки 1709 для управления потоком и смежного участка стенки (фиг. 17А) и проходит по модулю 1737 (не показан). Газовый поток, теперь показанный как поток 1751а, протекает к плоскости фиг. 17В и в канал 1759, образованный перегородкой 1715 для управления газовым потоком, верхней стенкой 1712 канала, нижней стенкой 1714 канала и стенкой 1703, и проходит по модулю 1739 и модулям 1741-1745 (не показаны).
Модули согласно фиг. 17 А и 17В могут представлять собой либо модули для отделения кислорода (как на фиг. 4А и 4В), либо модули для выполнения реакции окисления (как на фиг. 5 и 6).
Альтернативный вариант осуществления конструкции представлен на фиг. 18А, согласно которой канал для удерживания потока сконструирован для окружения двух групп параллельных мембранных модулей так, чтобы входящий газ и выходящий газ протекали в одном и том же конце канала и аппарата высокого давления (не показан), который содержит канал. Канал 1801 содержит вход 1803, выход 1805, первую стенку 1807, вторую стенку 1809, торцевую стенку 1811 и внутреннюю перегородку 1813 для управления газовым потоком. Входящий газ 1815 протекает по двум параллельным группам из пяти мембранных модулей 1817-1825 и 1827-1835. После этого промежуточный газовый поток 1836 отклоняется на 180° посредством торцевой стенки 1811 и протекает по двум параллельным группам из пяти мембранных модулей 1837-1845 и 1847-1855. Выходящий газовый поток 1857 выходит через выход 1805.
На фиг. 18В представлен вид в сечении 12-12 (повернуто на 90°) согласно фиг. 18А, который показывает поток газа через каналы, образованные стенками канала и перегородкой для управления газовым потоком. Входящий газовый поток 1815 показан протекающим к плоскости фиг. 18В и в канал 1859, образованный между стенкой 1809, внутренней перегородкой 1813, верхней стенкой 1861 и нижней стенкой 1863. Газ протекает по параллельным модулям 1817 и 1827 и далее по параллельным модулям 18191825 и 1829-1835 (не показаны). Газовый поток изменяется на обратный поток, как описано выше, при этом газ протекает через канал 1865, образованный стенкой 1807, перегородкой 1813 для управления газовым потоком, верхней стенкой 1861 и нижней стенкой 1863, при этом газ проходит по параллельным модулям 1837-1843 и 1847-1853 (не показаны). В итоге, газ проходит по модулям 1845 и 1855, а выходной газовый поток 1857 выходит через выход 1805.
Модули согласно фиг. 18А и 18В могут представлять собой либо модули для отделения кислорода (как на фиг. 4А и 4В), либо модули для выполнения реакции окисления (как на фиг. 5 и 6).
На фиг. 19 представлена модификация системы согласно фиг. 18А и 18В. В случае этой альтернативной компоновки газ совершает четыре прохождения в канале для удерживания потока, причем каналы находятся более чем в одной горизонтальной плоскости. Согласно фиг. 19 каналы 1901 и 1903 находятся в нижней горизонтальной плоскости в то время, как каналы 1905 и 1907 находятся в верхней горизонтальной плоскости. Канал 1901 образован боковой стенкой 1909, нижней стенкой 1914, перегородкой 1921 для управления газовым потоком и перегородкой 1923 для управления газовым потоком. Канал 1903 образован боковой стенкой 1911, нижней стенкой 1914, перегородкой 1921 для управления газовым потоком и перегородкой 1923 для управления газовым потоком. Канал 1905 образован боковой стенкой 1911, верхней стенкой 1913, перегородкой 1921 для управления газовым потоком и перегородкой 1923 для управления газовым потоком. Канал 1907 образован боковой стенкой 1909, верхней стенкой 1913, перегородкой 1921 для управления газовым потоком и перегородкой 1923 для управления газовым потоком.
- 19 010699
В этой модификации две параллельные группы модулей в каналах 1905 и 1907 перевернуты, а модульные коллекторы находятся над мембранными модулями. Это обеспечивает возможность расположения более холодного коллектора и уплотняющей области в направлении более холодной области вблизи от наружной стороны канала для потока, что обеспечивает более длительный срок службы компонентов. Другой вариант осуществления конструкции (не показан) предназначен для того, чтобы все модули были вертикальными (то есть не перевернутыми), при этом все модульные коллекторы, в основном, ориентированы в одном направлении. Для удерживания уплотняющей области при более холодной температуре коллектор может выступать из канала для прохождения потока с боковых сторон или с донной части.
Еще один вариант осуществления конструкции представлен на фиг. 20, согласно которой перегородки для управления газовым потоком ориентированы таким образом, что направления газового потока изменяются с сочетанием поворотов на 90 и на 130°. В этом варианте канал 2001 для удерживания потока определен наружными стенками 2003, 2005, 2007 и 2009, входом 2011 и выходом 2013. Входящий газовый поток 2015 протекает через внутреннюю область канала 2001 с последовательным изменением направлений потока на 90, 180, 90, 180 и 180°, а конечный газовый поток 2017 выходит через выход 2013. Такие изменения направлений газового потока осуществляют, соответственно, посредством стенки 2003 с перегородкой 2019, стенки 2005, перегородки 2109 с перегородкой 2021, перегородки 2023 со стенкой 2009, стенки 2007, перегородки 2023 с перегородкой 2025, перегородки 2021 и перегородки 2025 со стенкой 2005. Такое сочетание стенок и перегородок для управления газовым потоком создает последовательные каналы 2027, 2029, 2031, 2033, 2035, 2037, 2039 и 2041 для прохождения потока. Газовый поток через эти каналы проходит последовательно, как показано, по 13 мембранным модулям с 2043 по 2067.
Поток газа через каналы, образованные перегородками для управления газовым потоком, в целом, необязательно должен быть параллелен оси аппарата и может проходить в любом предпочтительном направлении. Кроме того, совокупность каналов может быть расположена вдоль различных осей внутри одного и того же канала для потока или аппарата, при этом также возможны и другие углы. Каналы, которые являются ортогональными к оси аппарата, могут обеспечить преимущество, заключающееся в облегчении обслуживания и удаления секций мембранных модулей или аппаратов, особенно если аппарат и канал для прохождения потока имеют корпусные фланцы в одном или более местах по длине аппарата. Кроме того, имеющиеся каналы, которые ортогональны к оси аппарата, могут способствовать сохранению температуры, давления и/или профиля композиции газа, который монотонно изменяется на осевом расстоянии вниз по длине аппарата. Это может привести к пониженным термическим, химическим и механическим напряжениям в мембранах и аппаратах, что может обеспечить увеличение срока службы системы с мембранными модулями и аппаратами. Аппараты могут быть соединены последовательно, при этом каждый аппарат может иметь разную компоновку перегородок и каналов для газа, которую выполняют в соответствии с конкретными условиями выполнения рабочего процесса в системе.
Внутренние перегородки для управления газовым потоком могут быть изготовлены из любых желаемых материалов, например из углеродистой стали, стальных сплавов, высокотемпературных сплавов и керамики. Перегородки для управления газовым потоком и соединения между перегородками или между перегородками и каналом для прохождения потока необязательно должны быть непроницаемыми для утечек, поэтому приемлемо небольшое количество утечек между каналами. Перегородка для управления газовым потоком может быть установлена или прикреплена с использованием желаемых способов, например сварки, соединения болтами, прессовой посадки, установки с помощью пружин или зажимных соединений.
Описанные выше конструкции аппаратов с некоторым количеством каналов могут быть применены к любым мембранным системам для ионного транспорта, в которых используют некоторое количество мембранных модулей, действующих последовательно, для их применения при выполнении способов извлечения кислорода либо способов окисления. Например, какой-либо из вариантов осуществления конструкции может быть применен к мембранным модулям для извлечения кислорода, что описано со ссылками на фиг. 4А и 4В. В качестве альтернативы какой-либо из вариантов конструкции может быть применен к мембранным модулям для осуществления способов окисления, что было обсуждено ранее со ссылками на фиг. 5 и 6. Последовательные мембранные модули могут иметь катализатор для выполнения преобразований, расположенный между какими-либо из последовательных модулей, как описано ранее со ссылками на фиг. 15 и 16.

Claims (23)

  1. (1) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
    (1) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри любого одного или более аппаратов высокого давления;
    1. Мембранная система для ионного транспорта, включающая:
    (a) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть сосуда, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
    (b) множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю
  2. (2) множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; и (3) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления газового потока внутри аппарата;
    при этом каждый модуль с плоскими мембранами содержит множество пластин, имеющих плоские параллельные поверхности, и аппарат высокого давления выполнен цилиндрическим, а ось параллельна некоторым или всем плоским параллельным поверхностям пластин;
    (2) множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; и (3) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления газового потока внутри аппарата;
    при этом каждый модуль с плоскими мембранами содержит множество пластин, имеющих плоские параллельные поверхности, и аппарат высокого давления выполнен цилиндрическим, а ось параллельна некоторым или всем плоским параллельным поверхностям пластин;
    (b) создание нагретого, находящегося под давлением потока питающего газа, содержащего кислород, введение питающего газового потока через вход аппарата высокого давления к наружным областям мембранных модулей и контактирование питающего газового потока с керамическим материалом из смешанных оксидов металлов;
    (c) проникновение ионов кислорода через керамический материал из смешанных оксидов металлов, извлечение продукта в виде высокочистого газообразного кислорода во внутренних областях мембранных модулей и удаление продукта в виде высокочистого газообразного кислорода из внутренних областей мембранных модулей через газовые коллекторы наружу от аппарата высокого давления; и (k) удаление кислородсодержащего газа, обедненного кислородом, через выход аппарата высокого давления.
    2. Система по п.1, которая дополнительно включает канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, где канал для удерживания потока имеет внутреннюю область, окружает множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта и находится в сообщении по потоку со входом и выходом аппарата высокого давления, и в которой во внутренней области канала для удерживания потока расположены одна или более перегородок для управления газовым потоком.
  3. 3. Система по п.2, в которой канал для удерживания потока и одна или более перегородок для управления газовым потоком содержат металлический сплав, стойкий к окислению, содержащий железо и один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из никеля и хрома.
  4. 4. Система по п.1, в которой по меньшей мере два модуля с плоскими мембранами для ионного транспорта определяют ось модулей, при этом аппарат высокого давления выполнен цилиндрическим и имеет ось, которая параллельна или коаксиальна оси модулей.
  5. 5. Система по п.1, в которой по меньшей мере два модуля с плоскими мембранами для ионного транспорта определяют ось модулей, при этом аппарат высокого давления выполнен цилиндрическим и имеет ось, которая перпендикулярна оси модулей.
  6. (6) один или более дополнительных аппаратов высокого давления, каждый из которых имеет внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
    (е) множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части каждого из аппаратов высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область;
    (6) один или более дополнительных аппаратов высокого давления, каждый из которых имеет внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
    (е) множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, расположенных во внутренней части каждого аппарата высокого давления и установленных последовательно, при этом каждый мембранный модуль содержит керамический материал из смешанных оксидов металлов и имеет внутреннюю область и наружную область; и (1) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части каждого аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления газового потока внутри любого из одного или более аппаратов высокого давления;
    где по меньшей мере два аппарата высокого давления расположены последовательно таким образом, что выход одного аппарата высокого давления находится в сообщении по потоку со входом в другой аппарат высокого давления.
    6. Система по п.1, в которой каждая из одной или более перегородок для управления потоком ориентирована таким образом, что начальное направление газового потока отклоняется к конечному направлению газового потока, где угол, образованный между начальным направлением газового потока и конечным направлением газового потока, представляет собой угол, больший 0° и меньший или равный 180°.
  7. 7. Система по п.6, в которой каждая из одной или более перегородок для управления потоком ориентирована таким образом, что начальное направление газового потока отклоняется к конечному направлению газового потока, где угол, образованный между начальным направлением газового потока и конечным направлением газового потока, представляет собой угол, больший 90° и меньший или равный 180°.
  8. 8. Система по п.6, в которой каждая из одной или более перегородок для управления потоком ориентирована таким образом, что начальное направление газового потока отклоняется к конечному направлению газового потока, где угол, образованный между начальным направлением газового потока и конечным направлением газового потока, представляет собой угол 180°.
  9. 9. Система по п.1, которая дополнительно включает:
  10. 10. Система по п.1, которая дополнительно включает:
  11. 11. Система по п.1, которая дополнительно включает катализатор, расположенный между любыми двумя модулями с плоскими мембранами для ионного транспорта, установленными последовательно.
  12. 12. Система по п.11, в которой катализатор содержит один или более металлов или соединений, содержащих металлы, выбранных из группы, состоящей из никеля, кобальта, платины, золота, палладия, родия, рутения и железа.
  13. 13. Система по п.11, в которой катализатор установлен между множеством последовательных модулей и активность катализатора изменяется в различных точках между последовательными модулями.
  14. 14. Способ извлечения кислорода из кислородсодержащего газа, включающий:
    (a) обеспечение мембранной разделительной системы для ионного транспорта, включающей:
  15. 15. Способ по п.14, в котором давление питающего газа, содержащего кислород, больше давления продукта в виде высокочистого газообразного кислорода.
  16. 16. Способ по п.14, в котором дополнительно обеспечивают канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, где канал для удерживания потока имеет внутреннюю область и наружную область, окружает множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта, и находится в сообщении по потоку со входом и выходом аппарата высокого давления, и где одна или более перегородок для управления газовым потоком расположены во внутренней области канала для удерживания потока.
  17. 17. Способ по п.16, где разницу давлений между внутренней областью и наружной областью канала для удерживания потока в любой точке между входом и выходом аппарата высокого давления поддерживают на уровне, равном или большем нуля, и где давление во внутренней части канала равно или больше давления в аппарате высокого давления снаружи канала.
  18. 18. Способ окисления, включающий:
    (а) обеспечение мембранной реакторной системы для ионного транспорта, включающей:
    (l) аппарат высокого давления, имеющий внутреннюю часть, вход, предназначенный для введения газа во внутреннюю часть аппарата, выход, предназначенный для удаления газа из внутренней части аппарата, и ось;
  19. 19. Способ по п.18, в котором давление находящегося под давлением потока питающего газареагента больше, чем давление окислительного газа, содержащего кислород.
  20. 20. Способ по п.18, в котором дополнительно обеспечивают канал для удерживания потока, расположенный во внутренней части аппарата высокого давления, где канал для удерживания потока имеет внутреннюю область и наружную область, окружает множество модулей с плоскими мембранами для ионного транспорта и находится в сообщении по потоку со входом и выходом аппарата высокого давления, и где одна или более перегородок для управления газовым потоком расположены во внутренней области канала для удерживания потока.
    - 20 010699 область, наружную область;
    (с) одну или более перегородок для управления газовым потоком, расположенных во внутренней части аппарата высокого давления и предназначенных для изменения направления потока газа внутри аппарата, при этом каждый модуль с плоскими мембранами содержит множество пластин, имеющих плоские параллельные поверхности, и в которой аппарат высокого давления выполнен цилиндрическим, а ось параллельна некоторым или всем плоским параллельным поверхностям пластин.
  21. 21. Способ по п.20, в котором разницу давлений между внутренней областью и наружной областью канала для удерживания потока в любой точке между входом и выходом аппарата высокого давления поддерживают на уровне, равном или большем нуля, и где давление во внутренней части канала равно или больше давления в аппарате высокого давления снаружи от канала.
    - 21 010699 где по меньшей мере два аппарата высокого давления расположены параллельно таким образом, что любой вход одного аппарата высокого давления и любой вход другого аппарата высокого давления находятся в сообщении по потоку с общим подводящим трубопроводом.
  22. 22. Способ по п.18, в котором находящийся под давлением поток питающего газа-реагента содержит один или более углеводородов, имеющих один или более атомов углерода.
    - 22 010699 (b) обеспечение нагретого, находящегося под давлением потока питающего газа-реагента, введение потока питающего газа-реагента через вход аппарата высокого давления к наружным областям мембранных модулей;
    (c) обеспечение окислительного газа, содержащего кислород, у внутренних областей мембранных модулей, проникновение ионов кислорода через керамический материал из смешанных оксидов металлов, взаимодействие кислорода с компонентами в потоке питающего газа-реагента во внешних областях мембранных модулей с образованием в них продуктов окисления и удаление продуктов окисления из внешних областей мембранных модулей через выход наружу от аппарата высокого давления для создания потока продуктов окисления; и (б) удаление кислородсодержащего обедненного кислородом газа из внутренних областей мембранных модулей через один или более коллекторов наружу от аппарата высокого давления.
  23. 23. Способ по п.22, в котором находящийся под давлением поток питающего газа-реагента содержит метан.
EA200501898A 2005-01-03 2005-12-28 Система мембранных модулей для ионного транспорта и аппарат с направленным внутренним газовым потоком EA010699B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/028,124 US7425231B2 (en) 2003-08-06 2005-01-03 Feed gas contaminant removal in ion transport membrane systems
US11/284,188 US7658788B2 (en) 2003-08-06 2005-11-22 Ion transport membrane module and vessel system with directed internal gas flow

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200501898A1 EA200501898A1 (ru) 2006-08-25
EA010699B1 true EA010699B1 (ru) 2008-10-30

Family

ID=36499935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200501898A EA010699B1 (ru) 2005-01-03 2005-12-28 Система мембранных модулей для ионного транспорта и аппарат с направленным внутренним газовым потоком

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7658788B2 (ru)
EP (1) EP1676811A3 (ru)
JP (1) JP2006187769A (ru)
KR (1) KR100736651B1 (ru)
AU (1) AU2006200005B2 (ru)
EA (1) EA010699B1 (ru)
NO (1) NO20060025L (ru)
ZA (1) ZA200600053B (ru)

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7658788B2 (en) 2003-08-06 2010-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system with directed internal gas flow
US7179323B2 (en) * 2003-08-06 2007-02-20 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system
US7771519B2 (en) * 2005-01-03 2010-08-10 Air Products And Chemicals, Inc. Liners for ion transport membrane systems
US7556675B2 (en) 2005-10-11 2009-07-07 Air Products And Chemicals, Inc. Feed gas contaminant control in ion transport membrane systems
US8262755B2 (en) 2007-06-05 2012-09-11 Air Products And Chemicals, Inc. Staged membrane oxidation reactor system
US20110263912A1 (en) * 2007-11-07 2011-10-27 Air Products And Chemicals, Inc. Control Of Kinetic Decomposition In Mixed Conducting Ion Transport Membranes
US7833314B2 (en) * 2008-04-30 2010-11-16 Praxair Technology, Inc. Purification method and junction for related apparatus
US8287762B2 (en) 2010-04-02 2012-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Operation of staged membrane oxidation reactor systems
US8148583B2 (en) 2010-05-06 2012-04-03 Air Products And Chemicals, Inc. Feed gas contaminant removal in ion transport membrane systems
US9561476B2 (en) 2010-12-15 2017-02-07 Praxair Technology, Inc. Catalyst containing oxygen transport membrane
KR101285568B1 (ko) * 2011-11-01 2013-07-15 한국에너지기술연구원 수소분리용 다층 모듈
US8820312B2 (en) * 2011-12-06 2014-09-02 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Oxygen transport reactor-based oven
EP2791082B1 (en) 2011-12-15 2021-01-20 Praxair Technology, Inc. Method of producing composite oxygen transport membrane
US9486735B2 (en) 2011-12-15 2016-11-08 Praxair Technology, Inc. Composite oxygen transport membrane
US9488100B2 (en) * 2012-03-22 2016-11-08 Saudi Arabian Oil Company Apparatus and method for oxy-combustion of fuels in internal combustion engines
US9662688B2 (en) * 2012-07-09 2017-05-30 Kla-Tencor Corporation Apparatus and method for cross-flow purge for optical components in a chamber
EP2935155B1 (en) 2012-12-19 2019-02-13 Praxair Technology Inc. Method for sealing an oxygen transport membrane assembly
US9453644B2 (en) 2012-12-28 2016-09-27 Praxair Technology, Inc. Oxygen transport membrane based advanced power cycle with low pressure synthesis gas slip stream
US9212113B2 (en) 2013-04-26 2015-12-15 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing a synthesis gas using an oxygen transport membrane based reforming system with secondary reforming and auxiliary heat source
US9611144B2 (en) 2013-04-26 2017-04-04 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing a synthesis gas in an oxygen transport membrane based reforming system that is free of metal dusting corrosion
US9296671B2 (en) 2013-04-26 2016-03-29 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing methanol using an integrated oxygen transport membrane based reforming system
US9938145B2 (en) 2013-04-26 2018-04-10 Praxair Technology, Inc. Method and system for adjusting synthesis gas module in an oxygen transport membrane based reforming system
US8945276B2 (en) * 2013-06-07 2015-02-03 Membrane Technology And Research, Inc. Parallel feed gas separation membrane element assembly
CN106413873B (zh) 2013-10-07 2019-10-18 普莱克斯技术有限公司 陶瓷氧输送膜片阵列重整反应器
US9452388B2 (en) 2013-10-08 2016-09-27 Praxair Technology, Inc. System and method for air temperature control in an oxygen transport membrane based reactor
US9556027B2 (en) 2013-12-02 2017-01-31 Praxair Technology, Inc. Method and system for producing hydrogen using an oxygen transport membrane based reforming system with secondary reforming
US9562472B2 (en) 2014-02-12 2017-02-07 Praxair Technology, Inc. Oxygen transport membrane reactor based method and system for generating electric power
US9028720B1 (en) 2014-03-05 2015-05-12 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane reactor systems and methods for producing synthesis gas
EP2915780A1 (en) * 2014-03-05 2015-09-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane reactor systems and methods for producing synthesis gas
WO2015160609A1 (en) 2014-04-16 2015-10-22 Praxair Technology, Inc. Method and system for oxygen transport membrane enhanced integrated gasifier combined cycle (igcc)
WO2016057164A1 (en) 2014-10-07 2016-04-14 Praxair Technology, Inc Composite oxygen ion transport membrane
US10441922B2 (en) 2015-06-29 2019-10-15 Praxair Technology, Inc. Dual function composite oxygen transport membrane
US10118823B2 (en) 2015-12-15 2018-11-06 Praxair Technology, Inc. Method of thermally-stabilizing an oxygen transport membrane-based reforming system
US9938146B2 (en) 2015-12-28 2018-04-10 Praxair Technology, Inc. High aspect ratio catalytic reactor and catalyst inserts therefor
CN109070014A (zh) 2016-04-01 2018-12-21 普莱克斯技术有限公司 含催化剂的氧气传送膜
WO2019226435A1 (en) 2018-05-21 2019-11-28 Praxair Technology, Inc. Otm syngas panel with gas heated reformer
CN109814145B (zh) * 2019-01-01 2022-11-29 中国人民解放军63653部队 一种低吸附大体积放射性气体测量容器
AT522323B1 (de) * 2019-05-21 2020-10-15 Lec Gmbh Membranreaktor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5681373A (en) * 1995-03-13 1997-10-28 Air Products And Chemicals, Inc. Planar solid-state membrane module
RU2182036C2 (ru) * 1997-04-29 2002-05-10 Праксайр Текнолоджи, Инк. Способ разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток и обедненный кислородом газовый поток (варианты)
US6402988B1 (en) * 1998-06-03 2002-06-11 Praxair Technology, Inc. Process for producing a syngas
EP1504811A1 (en) * 2003-08-06 2005-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system

Family Cites Families (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3278266A (en) 1963-05-13 1966-10-11 Petro Tex Chem Corp Vapor phase separation of hydrogen halides from hydrocarbons
US3935295A (en) 1973-01-23 1976-01-27 Catalysts And Chemicals, Inc. Process for removing chlorine-containing compounds from hydrocarbon streams
FR2383694A1 (fr) 1977-03-18 1978-10-13 Rhone Poulenc Ind Appareil a membranes planes utilisable notamment en permeation gazeuse et procede pour son obtention
DE2931169A1 (de) 1979-08-01 1981-02-19 Alberta Chem Fab Gmbh Verfahren zur beseitigung von sauren komponenten aus abgasen
DE2945317C2 (de) 1979-11-09 1981-11-12 Gkss - Forschungszentrum Geesthacht Gmbh, 2000 Hamburg Vorrichtung zur Wasserentsalzung und -reinigung durch Umgekehrte Osmose und Ultrafiltration
US4513093A (en) 1981-03-30 1985-04-23 Ashland Oil, Inc. Immobilization of vanadia deposited on sorbent materials during treatment of carbo-metallic oils
DE3235558A1 (de) 1982-09-25 1984-03-29 Metallgesellschaft Ag, 6000 Frankfurt Verfahren zur abtrennung von schadstoffen aus abgasen
DE3317517C2 (de) 1983-05-13 1985-03-21 Gkss - Forschungszentrum Geesthacht Gmbh, 2054 Geesthacht Vorrichtung zum Filtern und Trennen von flüssigen und gasförmigen Medien
US4721824A (en) 1984-09-24 1988-01-26 Mobil Oil Corporation Guard bed catalyst for organic chloride removal from hydrocarbon feed
US4629611A (en) 1985-04-29 1986-12-16 International Business Machines Corporation Gas purifier for rare-gas fluoride lasers
US5306411A (en) 1989-05-25 1994-04-26 The Standard Oil Company Solid multi-component membranes, electrochemical reactor components, electrochemical reactors and use of membranes, reactor components, and reactor for oxidation reactions
US5591315A (en) 1987-03-13 1997-01-07 The Standard Oil Company Solid-component membranes electrochemical reactor components electrochemical reactors use of membranes reactor components and reactor for oxidation reactions
JPS63296820A (ja) 1987-05-29 1988-12-02 Ube Ind Ltd 高純度水素又はヘリウムの製造方法
JPS6427620U (ru) 1987-08-07 1989-02-17
US4980049A (en) 1988-06-10 1990-12-25 Mobil Oil Corporation Catalytic cracking of heavy oils
CA2017243C (en) 1989-05-25 2003-09-30 Terry J. Mazanec Novel solid multi-component membranes, electrochemical reactor and use of membranes and reactor for oxidation reactions
EP0766330B1 (en) 1989-12-27 2002-06-05 The Standard Oil Company Components for use in electrochemical cells and their use in oxygen separation
GB9201630D0 (en) 1992-01-25 1992-03-11 British Steel Plc Off-gas treatment
US5750279A (en) 1992-02-28 1998-05-12 Air Products And Chemicals, Inc. Series planar design for solid electrolyte oxygen pump
US5240473A (en) 1992-09-01 1993-08-31 Air Products And Chemicals, Inc. Process for restoring permeance of an oxygen-permeable ion transport membrane utilized to recover oxygen from an oxygen-containing gaseous mixture
US5356728A (en) 1993-04-16 1994-10-18 Amoco Corporation Cross-flow electrochemical reactor cells, cross-flow reactors, and use of cross-flow reactors for oxidation reactions
US5364506A (en) 1993-04-28 1994-11-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method and apparatus for partial oxidation of methane and cogeneration of electrical energy
US6355093B1 (en) 1993-12-08 2002-03-12 Eltron Research, Inc Two component-three dimensional catalysis
US20020022568A1 (en) 1993-12-08 2002-02-21 Richard Mackay Ceramic membranes for use in catalytic membrane reactors with high ionic conductivities and improved mechanical properties
US5599383A (en) * 1995-03-13 1997-02-04 Air Products And Chemicals, Inc. Tubular solid-state membrane module
US5547494A (en) * 1995-03-22 1996-08-20 Praxair Technology, Inc. Staged electrolyte membrane
KR100275822B1 (ko) 1995-05-18 2000-12-15 조안 엠. 젤사 압력 구동식 고체전해질 막을 통한 가스분리방법(pressure driven solid electrolyte membrane gas separation method)
EP0747108B1 (en) 1995-06-07 2002-02-20 Air Products And Chemicals, Inc. Oxygen production by ion transport membranes with work recovery
WO1997000925A1 (en) 1995-06-23 1997-01-09 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method for monomer recovery
JPH09206541A (ja) 1996-02-06 1997-08-12 Nitto Denko Corp 空気中の酸素とアルゴンとの分離方法及びそのための分離装置
US5868918A (en) 1996-09-26 1999-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method for separating oxygen from an oxygen-containing gas
US5980840A (en) 1997-04-25 1999-11-09 Bp Amoco Corporation Autothermic reactor and process using oxygen ion--conducting dense ceramic membrane
US5820655A (en) 1997-04-29 1998-10-13 Praxair Technology, Inc. Solid Electrolyte ionic conductor reactor design
US6117210A (en) 1997-04-29 2000-09-12 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte systems for producing controlled purity oxygen
US5944874A (en) 1997-06-23 1999-08-31 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte ionic conductor systems for the production of high purity nitrogen
US5851266A (en) 1997-06-23 1998-12-22 Praxair Technology,Inc. Hybrid solid electrolyte ionic conductor systems for purifying inert gases
US5954859A (en) 1997-11-18 1999-09-21 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte ionic conductor oxygen production with power generation
US6056807A (en) 1998-01-26 2000-05-02 Air Products And Chemicals, Inc. Fluid separation devices capable of operating under high carbon dioxide partial pressures which utilize creep-resistant solid-state membranes formed from a mixed conducting multicomponent metallic oxide
US6060177A (en) 1998-02-19 2000-05-09 United Technologies Corporation Method of applying an overcoat to a thermal barrier coating and coated article
US6309612B1 (en) 1998-11-18 2001-10-30 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Ceramic membrane reactor with two reactant gases at different pressures
US6255010B1 (en) 1999-07-19 2001-07-03 Siemens Westinghouse Power Corporation Single module pressurized fuel cell turbine generator system
US6293084B1 (en) 2000-05-04 2001-09-25 Praxair Technology, Inc. Oxygen separator designed to be integrated with a gas turbine and method of separating oxygen
DE10029882A1 (de) 2000-06-16 2001-12-20 Linde Ag Separator zur Erzeugung von Sauerstoff
DE10114173A1 (de) 2000-06-16 2001-12-20 Linde Ag Reaktor
US7153559B2 (en) 2000-09-08 2006-12-26 Nippon Steel Corporation Ceramic-metal composite body, composite structure for transporting oxide ion, and composite body having sealing property
US6539719B2 (en) * 2000-11-02 2003-04-01 Praxair Technology, Inc. Integration of ceramic oxygen transport membrane combustor with boiler furnace
DE10056787A1 (de) 2000-11-16 2002-05-23 Linde Ag Reaktor
DE10056789A1 (de) 2000-11-16 2002-05-23 Linde Ag Separator zur Erzeugung von Sauerstoff
US6562104B2 (en) * 2000-12-19 2003-05-13 Praxair Technology, Inc. Method and system for combusting a fuel
DE10064894A1 (de) * 2000-12-23 2002-06-27 Alstom Switzerland Ltd Luftzerlegungseinrichtung
KR100444885B1 (ko) 2001-02-28 2004-08-18 주식회사 코캣 배가스에 함유된 입자상 물질 및 수분의 제거방법
US6777370B2 (en) 2001-04-13 2004-08-17 Engelhard Corporation SOx tolerant NOx trap catalysts and methods of making and using the same
US6695983B2 (en) 2001-04-24 2004-02-24 Praxair Technology, Inc. Syngas production method utilizing an oxygen transport membrane
US20030039601A1 (en) 2001-08-10 2003-02-27 Halvorson Thomas Gilbert Oxygen ion transport membrane apparatus and process for use in syngas production
JP3914416B2 (ja) 2001-11-06 2007-05-16 帝国石油株式会社 膜式反応器
US6602324B2 (en) 2001-11-15 2003-08-05 Air Products And Chemicals, Inc. Sulfur control in ion-conducting membrane systems
US6805728B2 (en) 2002-12-09 2004-10-19 Advanced Technology Materials, Inc. Method and apparatus for the abatement of toxic gas components from a semiconductor manufacturing process effluent stream
US6929825B2 (en) 2003-02-04 2005-08-16 General Electric Company Method for aluminide coating of gas turbine engine blade
US7279027B2 (en) 2003-03-21 2007-10-09 Air Products And Chemicals, Inc. Planar ceramic membrane assembly and oxidation reactor system
US7658788B2 (en) 2003-08-06 2010-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system with directed internal gas flow

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5681373A (en) * 1995-03-13 1997-10-28 Air Products And Chemicals, Inc. Planar solid-state membrane module
RU2182036C2 (ru) * 1997-04-29 2002-05-10 Праксайр Текнолоджи, Инк. Способ разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток и обедненный кислородом газовый поток (варианты)
US6402988B1 (en) * 1998-06-03 2002-06-11 Praxair Technology, Inc. Process for producing a syngas
EP1504811A1 (en) * 2003-08-06 2005-02-09 Air Products And Chemicals, Inc. Ion transport membrane module and vessel system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006187769A (ja) 2006-07-20
EA200501898A1 (ru) 2006-08-25
US7658788B2 (en) 2010-02-09
EP1676811A2 (en) 2006-07-05
AU2006200005A1 (en) 2006-07-20
ZA200600053B (en) 2008-01-30
KR20060079756A (ko) 2006-07-06
KR100736651B1 (ko) 2007-07-09
EP1676811A3 (en) 2009-07-29
NO20060025L (no) 2006-07-04
AU2006200005B2 (en) 2008-03-20
US20060180022A1 (en) 2006-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA010699B1 (ru) Система мембранных модулей для ионного транспорта и аппарат с направленным внутренним газовым потоком
KR100566739B1 (ko) 이온 수송 막 모듈 및 용기 시스템
CA2531706C (en) Ion transport membrane module and vessel system with directed internal gas flow
US7771519B2 (en) Liners for ion transport membrane systems

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Registration of a licence in a contracting state
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AZ KZ

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU