專利名稱：內(nèi)部氣流被引導(dǎo)的離子遷移膜組件和容器系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)是2005年1月3日申請(qǐng)的系列號(hào)為11/028124的部分繼續(xù)申請(qǐng)，而系列號(hào)為11/028124的申請(qǐng)則是2003年8月6日申請(qǐng)的系列號(hào)為10/635695的部分繼續(xù)申請(qǐng)，其說(shuō)明書和權(quán)利要求書引入本文作為參考并組成本專利申請(qǐng)的一部分。
關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究或開發(fā)的聲明本發(fā)明在政府資助下完成，氣體產(chǎn)品及化學(xué)品有限公司與美國(guó)能源部間的合同號(hào)為DE-FC26-97FT96052。該政府享有本發(fā)明的某些權(quán)力。
背景技術(shù)：
氧離子通過(guò)陶瓷離子遷移膜滲透是許多在高溫下操作的氣體分離裝置和氧化反應(yīng)器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其中滲透的氧在滲透?jìng)?cè)作為高純氧氣產(chǎn)品回收，或在滲透?jìng)?cè)與可氧化化合物反應(yīng)以形成氧化或部分氧化產(chǎn)物。這些氣體分離裝置和氧化反應(yīng)器系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要具有大表面積的膜組件、使進(jìn)料氣與膜的進(jìn)料側(cè)接觸的裝置、和從膜的滲透?jìng)?cè)取出產(chǎn)品氣的裝置。這些膜組件可包括排列并組裝入具有將進(jìn)料氣引入組件和從組件中排出產(chǎn)品氣的合適氣流管道的組件中的許多單個(gè)膜。
離子遷移膜可以制成平板或管狀構(gòu)型。在平板構(gòu)型中，制造多個(gè)扁平陶瓷板并組合成層疊體或具有使進(jìn)料氣通過(guò)平板膜和從平板膜的滲透?jìng)?cè)排出產(chǎn)品氣的管道裝置的組件。在管狀構(gòu)型中，多個(gè)陶瓷管可以以插入式或管殼式構(gòu)型排列，有適合隔離多個(gè)管的進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)的管板組件。
平板或管狀組件構(gòu)型中所用各膜典型地包括非常薄的活性膜材料層，其承載在具有允許氣體流向或離開活性膜層表面的大孔或通道的材料上。在正常的穩(wěn)態(tài)操作期間，尤其是在非穩(wěn)態(tài)的啟動(dòng)、關(guān)閉和故障狀態(tài)期間，陶瓷膜材料和膜組件的各部件可能經(jīng)受很大的機(jī)械應(yīng)力。這些應(yīng)力可能是由于陶瓷材料的熱膨脹和收縮及尺寸變化引起的，而尺寸變化則是由于膜材料的氧化學(xué)計(jì)量變化導(dǎo)致化學(xué)組成或晶體結(jié)構(gòu)變化而引起的。這些組件可以在膜和膜密封的兩側(cè)有很大壓差的情況下操作，而且由該壓差引起的應(yīng)力必須在對(duì)膜組件的設(shè)計(jì)中予以考慮。另外，根據(jù)組件是用于氣體分離還是用于氧化工藝，這些現(xiàn)象的相對(duì)重要性可能不同。由這些現(xiàn)象引起的潛在操作問(wèn)題可能對(duì)回收產(chǎn)品的純度和膜的使用壽命有很大的負(fù)面影響。
膜組件可以安裝在壓力容器中，以便向膜組件中引入進(jìn)料氣并從組件中排出產(chǎn)品氣，而且膜的至少一側(cè)在超過(guò)大氣壓力的壓力下操作。這些組件的設(shè)計(jì)和組件在壓力容器內(nèi)的定位應(yīng)允許使用緊湊而且費(fèi)用合理的壓力容器。
高溫陶瓷膜反應(yīng)器系統(tǒng)領(lǐng)域需要新型的膜組件和容器設(shè)計(jì)，以解決和克服這些潛在的操作問(wèn)題。這些設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下特點(diǎn)操作效率高、膜壽命長(zhǎng)、投資最小、指定膜系統(tǒng)能在寬生產(chǎn)率范圍內(nèi)使用和壓力容器緊湊。本文公開的本發(fā)明實(shí)施方案解決了這些設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括針對(duì)氧氣生產(chǎn)和氧化系統(tǒng)改進(jìn)的膜組件和容器設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種實(shí)施方案涉及一種離子遷移膜系統(tǒng)，包括(a)有內(nèi)部、適用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、適用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(b)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(c)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在壓力容器內(nèi)部，用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流的方向。
每個(gè)平板膜組件可以包括多個(gè)具有平行表面的膜片，壓力容器可以是圓筒形的，其軸可以與膜片的部分或全部平行表面平行。
該系統(tǒng)還可包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部區(qū)域、包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件、而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。流動(dòng)限制通道和一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板可包含抗氧化金屬合金，此合金含有鐵和選自鎳和鉻的一種或多種元素。
至少兩個(gè)平板離子遷移膜組件可以確定一個(gè)組件軸，壓力容器可以是圓筒形的，其軸可以與膜組件的軸平行或共軸；可選擇地，壓力容器的軸也可以與組件的軸垂直。
一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板可這樣定位以使氣流的初始方向轉(zhuǎn)變成氣流的最終方向，其中氣流的初始方向和最終方向之間形成的夾角大于0度且小于或等于180度，或是大于90度且小于或等于180度。另一種可選方案中，一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板可以這樣定位以使氣流的初始方向轉(zhuǎn)變成氣流的最終方向，其中氣流的初始方向和最終方向之間形成180度角。
此實(shí)施方案的系統(tǒng)可進(jìn)一步包括(d)一個(gè)或多個(gè)附加壓力容器，每個(gè)都有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸；(e)布置于每個(gè)壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(f)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在每個(gè)壓力容器內(nèi)部，用于改變所述一個(gè)或多個(gè)壓力容器中任意容器內(nèi)氣流的方向；其中至少兩個(gè)壓力容器可串聯(lián)排列使一個(gè)壓力容器的出口與另一個(gè)壓力容器的入口流通。
另一選擇，此實(shí)施方案的系統(tǒng)進(jìn)一步包括(d)一個(gè)或多個(gè)附加壓力容器，每個(gè)都有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸；(e)布置于每個(gè)壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(f)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在每個(gè)壓力容器內(nèi)部，用于改變所述一個(gè)或多個(gè)壓力容器中任意容器內(nèi)氣流的方向；其中至少兩個(gè)壓力容器可并聯(lián)排列使一個(gè)壓力容器的任一入口和另一個(gè)壓力容器的任一入口與同一進(jìn)料管流通。
該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括布置在任意兩個(gè)串聯(lián)排列的平板離子遷移膜組件之間的催化劑。催化劑可包括一種或多種金屬或含有金屬的化合物，所述金屬選自鎳、鈷、鉑、金、鈀、銠、釕和鐵。反應(yīng)器的催化劑可以安置在多個(gè)串聯(lián)組件之間，在串聯(lián)組件之間的不同位置處催化劑的活性不同。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種從含氧氣體中回收氧的方法，包括(a)提供離子遷移膜分離器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(2)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(3)布置在壓力容器內(nèi)部、用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流方向的一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板；(b)提供加熱、加壓的含氧進(jìn)料氣流，經(jīng)由壓力容器的入口將所述進(jìn)料氣流引入膜組件的外部區(qū)域，并使所述進(jìn)料氣流與混合金屬氧化物陶瓷材料接觸；(c)使氧離子滲透穿過(guò)混合金屬氧化物陶瓷材料，在膜組件的內(nèi)部區(qū)域回收高純氧氣產(chǎn)品，并通過(guò)氣體集管從膜組件的內(nèi)部區(qū)域?qū)⒏呒冄鯕猱a(chǎn)品排到壓力容器的外部；和(d)從壓力容器出口取出貧氧的含氧氣體。
含氧進(jìn)料氣的壓力可以大于高純氧氣產(chǎn)品的壓力。本方法還可以包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域、包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件、而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。在壓力容器入口和出口之間的任何位置，流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間的壓差可以保持在等于或大于0的值，其中限制通道內(nèi)部的壓力等于或大于限制通道外、壓力容器內(nèi)的壓力。
本發(fā)明可供選擇的實(shí)施方案包括一種氧化工藝，包括(a)提供離子遷移膜分離器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(2)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(3)布置在壓力容器內(nèi)部、用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流方向的一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板；(b)提供加熱、加壓的反應(yīng)物進(jìn)料氣流，經(jīng)由壓力容器的入口將所述反應(yīng)物進(jìn)料氣流引入膜組件的外部區(qū)域；(c)向膜組件的內(nèi)部區(qū)域提供含氧的氧化劑氣體，使氧離子滲透穿過(guò)混合金屬氧化物陶瓷材料，使氧與膜組件外部區(qū)域的反應(yīng)物進(jìn)料氣流中的各組分發(fā)生反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，并通過(guò)出口從膜組件的外部區(qū)域?qū)⒀趸a(chǎn)物排到壓力容器的外部，以提供氧化產(chǎn)物流；和(d)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)集管從膜組件的內(nèi)部區(qū)域?qū)⒇氀醯暮鯕怏w排到壓力容器的外部。
加壓反應(yīng)物進(jìn)料氣流的壓力可以大于含氧氧化劑氣體的壓力。此工藝還可以包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部和外部區(qū)域、包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件、而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。在壓力容器入口和出口之間的任何位置，流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間的壓差可以保持在等于或大于0的值，其中限制通道內(nèi)部的壓力等于或大于限制通道外、壓力容器內(nèi)的壓力。
加壓反應(yīng)物進(jìn)料氣流可以包括一種或多種含有一個(gè)或多個(gè)碳原子的烴類物質(zhì)，特別是可以包括甲烷。氧化產(chǎn)物流可以包括氫和碳氧化物。


圖1為本發(fā)明實(shí)施方案中用于氧回收或氧化工藝的膜片層疊體或組件的示意正視圖。
圖2A為用于氧化工藝的圖1中的膜片層疊體或組件的側(cè)視圖。
圖2B為用于氧回收的圖1中的膜片層疊體或組件的側(cè)視圖。
圖3A為圖1，2A和2B中膜片的剖面圖。
圖3B為圖1，2A和2B中膜片的另一剖面圖。
圖3C為圖1，2A和2B中可選擇的膜片的剖面圖。
圖3D為圖1，2A和2B中可選擇的膜片的另一剖面圖。
圖4A為用于氧回收的膜分離器容器內(nèi)部的示意側(cè)視圖。
圖4B為圖4A的橫截面圖。
圖5為用于氧化工藝的膜反應(yīng)器容器內(nèi)部的示意側(cè)視圖。
圖6為圖5的橫截面圖。
圖7為表示絕熱材料的布置的圖4B的一種實(shí)施方案。
圖8為表示絕熱材料的可選擇布置的圖4B的第二種實(shí)施方案。
圖9為表示絕熱材料的可選擇布置的圖4B的第三種實(shí)施方案。
圖10為表示絕熱材料的可選擇布置的圖4B的第四種實(shí)施方案。
圖11為表示絕熱材料的可選擇布置的圖4B的第五種實(shí)施方案。
圖12為表示絕熱材料的可選擇布置的圖4B的第六種實(shí)施方案。
圖13為表示絕熱材料的布置的圖4B的第七種實(shí)施方案。
圖14為用于氧回收或氧化工藝的可供選擇的膜容器內(nèi)部和組件排列的示意側(cè)視圖。
圖15為圖4A中具有共軸并聯(lián)膜組件的流動(dòng)限制通道的橫截面圖。
圖16為具有偏置成排(offset bank)的并聯(lián)膜組件的流動(dòng)限制通道的橫截面圖。
圖17A為具有用于氣流導(dǎo)向的內(nèi)部隔板的膜反應(yīng)器容器和膜組件的一種實(shí)施方案。
圖17B為圖17A中10-10剖面的視圖。
圖18A為具有用于氣流導(dǎo)向的內(nèi)部隔板的膜反應(yīng)器容器和膜組件的一種可供選擇的實(shí)施方案。
圖18B為圖18A中12-12剖面的視19為圖18B系統(tǒng)的改型。
圖20為具有用于氣流導(dǎo)向的內(nèi)部隔板的膜反應(yīng)器容器和膜組件的另一可供選擇的實(shí)施方案。
圖1-20未必按比例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及離子遷移膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作，該系統(tǒng)利用多個(gè)膜組件串聯(lián)操作以用于氧回收或氧化工藝。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧跨過(guò)膜遷移時(shí)會(huì)導(dǎo)致放熱反應(yīng)，例如在由甲烷生產(chǎn)合成氣時(shí)，必須限制跨過(guò)單個(gè)膜的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化程度以防止跨過(guò)膜的溫度梯度過(guò)大。還已發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜將氧傳輸進(jìn)入低壓滲透物流時(shí)，必須限制跨過(guò)單個(gè)膜的氧提取量以防止膜前緣和后緣之間膜材料中的氧空位梯度過(guò)大。溫度或氧空位梯度過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致膜中的應(yīng)力過(guò)大，從而大大限制膜的壽命。
本發(fā)明通過(guò)多個(gè)膜組件或多排組件串聯(lián)定向來(lái)解決這些問(wèn)題，以使每個(gè)組件中跨過(guò)膜的氧提取量足夠低，以防止膜材料中的氧空位梯度過(guò)大?？邕^(guò)每個(gè)組件的氧提取量可以通過(guò)合適的組件尺寸來(lái)限制，而氧提取的總要求程度可以通過(guò)串聯(lián)地操作選定的多個(gè)組件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)氧跨過(guò)膜遷移導(dǎo)致放熱反應(yīng)時(shí)，在每個(gè)組件中的跨過(guò)單個(gè)膜的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化程度必須足夠低以防止在流動(dòng)方向上跨過(guò)膜的溫度梯度過(guò)大?？邕^(guò)每個(gè)組件的轉(zhuǎn)化程度可以通過(guò)合適的組件尺寸限制，而所需總轉(zhuǎn)化率可以通過(guò)串聯(lián)地操作多個(gè)選定組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在每個(gè)膜組件中流過(guò)膜外側(cè)的氣體優(yōu)選壓力高于組件內(nèi)部膜內(nèi)側(cè)氣體，如下所述。為了使氣相傳質(zhì)阻力最小化，應(yīng)使較高壓力的氣體以高速度而且盡可能均勻地穿過(guò)膜的外表面。
由于離子遷移膜系統(tǒng)的獨(dú)特操作條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以包括壓力容器、布置于容器內(nèi)而且包圍串聯(lián)膜組件的任選的氣體流動(dòng)限制裝置或通道和使容器壁可在比膜組件低的溫度下操作的在容器內(nèi)的熱絕緣。如下所述的這些元件的合適物理定位改善了系統(tǒng)制造、安裝和長(zhǎng)期可操作性的前景。另外，公開了其它可能有利于整個(gè)離子遷移膜系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性的內(nèi)部設(shè)計(jì)特征。
下列定義適用于本文給出的本發(fā)明實(shí)施方案的描述中使用的術(shù)語(yǔ)。
離子遷移膜組件是多個(gè)膜結(jié)構(gòu)的組件，其有這樣布置的氣體流入?yún)^(qū)域和流出區(qū)域以使氣體流過(guò)膜結(jié)構(gòu)的外表面。從膜組件的流入?yún)^(qū)域流到流出區(qū)域的氣體在通過(guò)組件內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的表面時(shí)組成會(huì)變化。每個(gè)膜結(jié)構(gòu)具有被允許氧離子透過(guò)的活性膜層或區(qū)域隔開的含氧氣體進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)。每個(gè)膜結(jié)構(gòu)也具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。在一種實(shí)施方案中，膜組件作為氧分離設(shè)備操作，含氧氣體進(jìn)料側(cè)可與膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域相鄰，滲透?jìng)?cè)可與膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域相鄰。
在一種可供選擇的實(shí)施方案中，膜組件作為氧化反應(yīng)設(shè)備操作，含氧氣體進(jìn)料側(cè)可與膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域相鄰，滲透?jìng)?cè)可與膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域相鄰。在此可供選擇的實(shí)施方案中，反應(yīng)物進(jìn)料氣體流經(jīng)膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域并與滲透氧發(fā)生反應(yīng)。因此在本實(shí)施方案中，滲透?jìng)?cè)也是膜結(jié)構(gòu)的反應(yīng)物氣體側(cè)。
膜結(jié)構(gòu)可以具有管狀構(gòu)型，其中的含氧氣體與管的一側(cè)(也就是，在管的內(nèi)部區(qū)域或外部區(qū)域中)流動(dòng)接觸，氧離子滲透穿過(guò)管壁內(nèi)或上的活性膜材料到達(dá)管的另一側(cè)。含氧氣體可以以通常平行于管軸的方向在管的內(nèi)側(cè)或外側(cè)流動(dòng)，或者相反地以不與管軸平行的方向流過(guò)管的外側(cè)。組件包括以插入式或管殼式構(gòu)型排列的多個(gè)管，有隔離多個(gè)管的進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)的適合的管板組件。
可選擇地，膜結(jié)構(gòu)可以具有平板構(gòu)型，其中具有中心或內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜片由兩個(gè)圍繞其至少一部分外邊緣密封的平行平板元件形成。氧離子滲過(guò)放置在平板元件的一個(gè)或兩個(gè)表面上的活性膜材料。氣體可以流過(guò)膜片的中心或者內(nèi)部區(qū)域，而且膜片具有一個(gè)或多個(gè)氣體流動(dòng)開口以允許氣體進(jìn)入和/或離開膜片的內(nèi)部區(qū)域。因此，氧離子可以從外部區(qū)域滲透至內(nèi)部區(qū)域，或者相反地從內(nèi)部區(qū)域滲透至外部區(qū)域。
膜組件的組成部分包括傳輸或滲透氧離子而且也可以傳輸電子的活性膜層、支撐活性膜層的構(gòu)件和引導(dǎo)氣體流向和離開膜表面的構(gòu)件?；钚阅拥湫偷匕ɑ旌辖饘傺趸锾沾刹牧喜⑶乙部梢园ㄒ环N或多種金屬元素。膜組件的構(gòu)件可以由任何合適的材料制成，比如混合金屬氧化物陶瓷材料，也可以包括一種或多種金屬元素。任何活性膜層和構(gòu)件都可以用相同的材料制成。
單個(gè)組件可以串聯(lián)排列，這意味著許多組件沿著一個(gè)軸布置。通常，通過(guò)第一組件中膜結(jié)構(gòu)表面的氣體從此組件的流出區(qū)域流出，其后，這些氣體的一部分或全部進(jìn)入第二組件的流入?yún)^(qū)域，然后流過(guò)第二組件中膜結(jié)構(gòu)的表面。一系列單個(gè)組件的軸可以與總流動(dòng)方向或者氣體流過(guò)串聯(lián)組件的軸平行或者幾乎平行。
組件可以兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)組件成排排列，其中一排并聯(lián)組件位于與總流動(dòng)方向或氣體通過(guò)組件的軸不平行而且基本垂直的軸上。多排組件可以串聯(lián)排列，按定義這意味著成排的組件這樣布置以使至少一部分已通過(guò)第一排組件中膜結(jié)構(gòu)表面的氣體流過(guò)第二排組件中膜結(jié)構(gòu)的表面。
任何數(shù)量的單個(gè)組件或者成排組件可以串聯(lián)排列。在一種實(shí)施方案中，在一系列單個(gè)組件或一系列成排組件中的組件可以位于同一軸上或共同的軸上，其中軸的數(shù)量等于一或等于每排中組件的數(shù)量。在下述的另一種實(shí)施方案中，在一系列組件或成排組件中相繼的組件或成排組件可以以交替的方式偏置以使組件分別位于至少兩個(gè)軸或其數(shù)量大于一排中組件數(shù)量的多個(gè)軸上。此兩個(gè)實(shí)施方案都包含在本文所用的串聯(lián)組件的定義中。
優(yōu)選地，與膜組件外部區(qū)域外表面接觸的氣體壓力高于膜組件內(nèi)部區(qū)域的氣體壓力。
流動(dòng)限制通道被定義為包圍多個(gè)串聯(lián)膜組件、引導(dǎo)氣體流過(guò)串聯(lián)組件的導(dǎo)管或封閉通道。
集管是引導(dǎo)氣體進(jìn)入和/或離開膜組件內(nèi)部區(qū)域的管或?qū)Ч艿慕M件。可以通過(guò)在第二導(dǎo)管或外導(dǎo)管中安裝第一導(dǎo)管或內(nèi)導(dǎo)管使兩個(gè)集管合并，其中第一導(dǎo)管構(gòu)成第一集管，而導(dǎo)管間的環(huán)隙構(gòu)成第二集管。這些導(dǎo)管可以同心或同軸，其中這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)具有相同的含義?？蛇x擇地，導(dǎo)管可以不同心或者同軸，但可以具有單獨(dú)的平行或不平行的軸。提供組合集管功能的此內(nèi)外導(dǎo)管的構(gòu)型在本文中被定義為嵌套集管。
流通是指膜組件和容器系統(tǒng)的一個(gè)部件相對(duì)于另外一個(gè)部件定向，這樣氣體可以很容易的從一個(gè)部件流到另一個(gè)部件。
膜片是具有中心或內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜結(jié)構(gòu)，其中膜片由兩個(gè)圍繞其至少一部分外邊緣密封的平行平板元件形成?；钚阅げ牧峡芍糜谄桨逶囊粋€(gè)或兩個(gè)表面上。氣體可以流過(guò)膜片的中心或者內(nèi)部區(qū)域，即內(nèi)部區(qū)域的所有部分都是流通的，而且膜片具有一個(gè)或多個(gè)氣體流動(dòng)開口以允許氣體進(jìn)入和/或離開膜片的內(nèi)部區(qū)域。膜片的內(nèi)部區(qū)域可以包括允許氣體流過(guò)內(nèi)部區(qū)域且機(jī)械地支撐所述平行平板元件的多孔和/或開槽材料。活性膜材料傳輸或滲透氧離子但是不受任何氣體的流動(dòng)影響。
氧是包括原子序數(shù)為8的元素的氧形式的通稱。通稱氧包括氧離子和氣態(tài)氧(O2或雙氧)。含氧氣體可以包括但不限于空氣或包括一種或多種選自氧氣、氮?dú)狻⑺?、一氧化碳和二氧化碳的組分的氣體混合物。
反應(yīng)物氣體或反應(yīng)物進(jìn)料氣是包括至少一種與氧反應(yīng)形成氧化產(chǎn)物的組分的氣體。反應(yīng)物氣體可以含有一種或多種烴，其中烴是主要或僅包括氫和碳原子的化合物。烴也可以含有其它原子，比如氧。
合成氣是至少含有烴和碳的氧化物的氣體混合物。
離子遷移膜是包括能夠在高溫下傳輸或滲透氧離子的混合金屬氧化物的陶瓷膜材料的活性層。離子遷移膜也可傳輸電子和氧離子，此類型離子遷移膜典型地被稱為混合傳導(dǎo)膜。離子遷移膜也可包含一種或多種金屬元素從而形成復(fù)合膜。
離子遷移膜系統(tǒng)是用于氧回收或氧化反應(yīng)的一系列多個(gè)離子遷移膜組件的通稱。離子遷移膜分離系統(tǒng)是用于從含氧氣體中分離和回收氧的離子遷移膜系統(tǒng)。離子遷移膜反應(yīng)器系統(tǒng)是用于氧化反應(yīng)的離子遷移膜系統(tǒng)。
如上所述，可以管狀或平板構(gòu)型制造本發(fā)明實(shí)施方案中的串聯(lián)膜組件。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)優(yōu)選平板構(gòu)型，各種構(gòu)型的平板膜組件都可以。平板膜組件構(gòu)型描述在例如2003年3月21日申請(qǐng)的序列號(hào)為10/394,620的共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)中，該申請(qǐng)?jiān)诖艘胱鳛閰⒖肌?br> 在說(shuō)明書和權(quán)利要求書中，當(dāng)使用不定冠詞“a”和“an”描述本發(fā)明實(shí)施方案的任何特征時(shí)，意思是一或多。除非特別說(shuō)明，“a”和“an”的使用不限于表示單個(gè)特征。單數(shù)或復(fù)數(shù)名詞或名詞短語(yǔ)前的定冠詞“the”表示一個(gè)特別指明的特征或多個(gè)特別指明的特征，可以有單數(shù)或復(fù)數(shù)的含義，要依其使用處的上下文含義確定。形容詞“any”表示一個(gè)、一些或全部，為無(wú)區(qū)別量詞。
圖1示出一種示例性的平板膜組件，是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的用于氧回收或氧化工藝的膜片層疊體或組件的示意正視圖。此實(shí)施例中的層疊體或組件包括被中空間隔物3隔開的多個(gè)平板膜片1，且具有任選的帽5。膜片和間隔物如圖所示以交替方式放置和連接，形成層疊體或組件的軸7。膜片的平面圖可以為任何形狀，但一般優(yōu)選方形或長(zhǎng)方形。方形或長(zhǎng)方形膜片任一邊的尺寸可在2和45cm之間。層疊體中的膜片數(shù)量可在最多達(dá)到1000的范圍內(nèi)。
層疊體或組件的外部區(qū)域是圍繞膜片和間隔物外表面的區(qū)域。如下文詳述，膜片1具有與間隔物3的內(nèi)部流通放置的內(nèi)部區(qū)域，其中在膜片和間隔物之間形成氣密密封。底部中空間隔物11中的開口9允許氣體進(jìn)入和/或離開層疊體或組件的內(nèi)部區(qū)域，其中組件的內(nèi)部區(qū)域由膜片的內(nèi)部區(qū)域和中空間隔物中的開口形成。因此開口9與組件的內(nèi)部區(qū)域流通。
圖2A中示出圖1組件的側(cè)視圖，舉例說(shuō)明了用于氧化工藝的示例性構(gòu)型。在此實(shí)施例中，膜片200之間的間隔物201都有兩組分開的開口203和205。間隔物201中的開口203和置于間隔物201之上和之下的間隔物中的其它開口形成內(nèi)部集管，其經(jīng)由通過(guò)膜片左端的膜片層的適當(dāng)放置的開口(未示出)與膜片的內(nèi)部區(qū)域流通。這些通過(guò)膜片層的開口還設(shè)置相互流通的間隔物201的內(nèi)部開口203和在間隔物201之上和之下的間隔物中的內(nèi)部開口。類似地，間隔物201中的開口205和置于間隔物201之上和之下的間隔物中的其它開口形成內(nèi)部集管，其經(jīng)由通過(guò)膜片右端的膜片層的適當(dāng)放置的開口(未示出)與膜片的內(nèi)部區(qū)域流通。這些通過(guò)膜片層的開口還設(shè)置相互流通的間隔物201的內(nèi)部開口205和在間隔物201之上和之下的間隔物中的內(nèi)部開口。
在此實(shí)施例構(gòu)型中，氣流207向上流過(guò)由開口203及其上的開口形成的內(nèi)部集管，然后水平流過(guò)膜片的內(nèi)部區(qū)域。然后來(lái)自膜片內(nèi)部區(qū)域的氣體向下流過(guò)由開口205及其上的開口形成的內(nèi)部集管，并作為氣流209從組件中排出。位于組件進(jìn)氣區(qū)域的第二氣體211流過(guò)位于間隔物201任一側(cè)的組件的外部區(qū)域，并與膜片200的外表面接觸。氣體213與膜片200的外表面接觸后，流過(guò)組件的出氣區(qū)域。組件可以在600-1100℃的典型溫度范圍內(nèi)操作。
圖2A的組件可以用作氧化反應(yīng)器系統(tǒng)的部件，其中代表性氣體211是反應(yīng)物氣體，而代表性氣體207是氧化劑或含氧氣體。含氧氣體207通過(guò)開口203流過(guò)內(nèi)部集管和膜片的內(nèi)部區(qū)域，氧透過(guò)在膜片平板元件中的活性膜材料，貧氧氣體209通過(guò)開口205從組件中流出。當(dāng)氣體流過(guò)膜片的外表面時(shí)，滲透的氧與反應(yīng)物氣體或反應(yīng)物進(jìn)料氣211中的反應(yīng)物組分反應(yīng)，并形成氧化產(chǎn)物。從組件中排出的氣體213含有氧化產(chǎn)物和各未反應(yīng)組分。在一種實(shí)施方案中，反應(yīng)物氣體211包括甲烷或含甲烷的進(jìn)料氣，而排出氣體213是未反應(yīng)的甲烷、氫氣、碳氧化物和水的混合物，含氧氣體207是空氣，貧氧氣體209比氣體207富氮而貧氧。典型地，氣體211和213的壓力高于組件內(nèi)部區(qū)域氣體的壓力。
圖1組件的可選側(cè)視圖示于圖2B中，舉例說(shuō)明用于從含氧氣體中回收高純氧工藝的示例性構(gòu)型。在此實(shí)施例中，膜片217之間的間隔物215具有開口219，其中開口219和置于間隔物215之下的間隔物中的其它開口形成內(nèi)部集管，其與膜片的內(nèi)部區(qū)域流通。因此，開口221使組件的內(nèi)部區(qū)域與產(chǎn)物氣體導(dǎo)管(未示出)流通。位于組件進(jìn)氣區(qū)域的含氧氣體223，例如空氣，流過(guò)間隔物215任一側(cè)的組件的外部區(qū)域，并與膜片217的外表面接觸。與膜片217的外表面接觸后，貧氧氣體225流過(guò)組件的出氣區(qū)域。組件可以在600-1100℃的典型溫度范圍內(nèi)操作。
當(dāng)含氧氣體流過(guò)組件的外部區(qū)域且氣體與膜片的外表面接觸時(shí)，氧透過(guò)膜片平板元件內(nèi)的活性膜材料，高純氧氣匯集在組件的內(nèi)部區(qū)域。高純氧產(chǎn)物氣體227從開口221中流出。典型地，含氧氣體223和225的壓力高于組件內(nèi)部區(qū)域的高純氧的壓力。
圖3A和3B的剖視圖說(shuō)明圖1、2A和2B中膜片內(nèi)部區(qū)域的一種可能的示例性構(gòu)型。參考圖3A，其代表圖1的2-2剖面，該膜片具有允許氣體流過(guò)孔的多孔陶瓷材料的外部支撐層301和303。致密活性膜層305和307與外部支撐層301和303接觸，并由作為流動(dòng)通道層315和317一部分的支撐肋321和329支撐。這些肋又由具有用于氣體流動(dòng)的開口或縫313的開縫支撐層309支撐。開放通道319和325通過(guò)開口或縫313流通。任選，當(dāng)圖2B組件用于從含氧氣體中回收氧時(shí)，可能不需要支撐層301和303。
術(shù)語(yǔ)“致密”是指當(dāng)被燒結(jié)或焙燒后，氣體不能流動(dòng)通過(guò)的陶瓷材料。只要該膜完整無(wú)損且沒(méi)有可泄漏氣體的裂紋、孔或缺陷，則氣體不能流過(guò)由混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物材料制成的致密陶瓷膜。高溫(典型地高于600℃)下，氧離子能透過(guò)由混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物材料制成的致密陶瓷膜。
圖3B表示圖2A和2B的4-4剖面，說(shuō)明從圖3A剖面旋轉(zhuǎn)90度的膜片剖面。該剖面示出外部支撐層301和303以及致密活性膜材料層305和307的同一視圖。此剖面也示出開縫支撐層309和流動(dòng)通道層315和317的另一視圖。在交錯(cuò)的支撐肋333之間形成開放通道331，允許氣體流過(guò)膜片的內(nèi)部區(qū)域。因此膜片的內(nèi)部區(qū)域被定義為流動(dòng)通道層315、流動(dòng)通道層317和開縫支撐層309內(nèi)的總開放體積。
致密活性膜層305和307優(yōu)選包括含有至少一種通式為(LaxCa1-x)yFeO3-δ的混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物的混合金屬氧化物陶瓷材料，其中1.0＞x＞0.5，1.1≥y＞1.0，δ是使物質(zhì)組成呈電中性的數(shù)。任何合適的材料都可以用于多孔支撐層301和303，此材料可以是，比如，具有與活性膜層305和307相同組成的陶瓷材料。優(yōu)選地，多孔支撐層301和303是混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物材料。任何合適的材料都可以用于開縫支撐層309和流動(dòng)通道層315和317的結(jié)構(gòu)件，此材料可以是，比如，具有與活性膜層305和307相同組成的陶瓷材料。開槽支撐層的材料優(yōu)選是致密陶瓷材料。在一種實(shí)施方案中，活性膜層305和307、多孔支撐層301和303、開縫支撐層309和流動(dòng)通道層315和317都可以由具有相同組成的材料制成。
致密活性膜層305和307可任選地在氧化劑側(cè)包含一種或多種氧還原催化劑。該催化劑可以包括選自鉑、鈀、釕、金、銀、鉍、鋇、釩、鉬、鈰、鐠、鈷、銠和錳的金屬或含有這些金屬的化合物。
多孔支撐層301和303可任選地含有一種或多種催化劑以促進(jìn)在多孔層發(fā)生的烴氧化、重整和/或其它反應(yīng)。該催化劑可以布置于多孔支撐層301和303的一面或兩面，或者可分散于整個(gè)層中。一種或多種催化劑可以包括選自鉑、鈀、銠、釕、銥、金、鎳、鈷、銅、鉀及其混合物的金屬或含有這些金屬的化合物。如果因結(jié)構(gòu)和/或工藝需要，則可以分別在活性膜層305和307與相鄰流動(dòng)通道層315和317之間設(shè)置另一多孔層。
剖視圖3C和3D示出圖1、2A和2B中用于氧回收應(yīng)用的膜片內(nèi)部區(qū)域的另一可能構(gòu)型。參考圖3C，其表示圖1的2-2剖面，該膜片具有外致密層351和353。多孔陶瓷層355和357與外致密層351和353接觸。多孔陶瓷層355由支撐肋371支撐，它是流動(dòng)通道層365的一部分。多孔陶瓷層355與流動(dòng)通道366接觸，它是流動(dòng)通道層365的一部分。多孔陶瓷層357與流動(dòng)通道368接觸，它是流動(dòng)通道層367的一部分。
肋371又由具有用于氣體流動(dòng)的開口或縫363的流動(dòng)通道層358支撐。流動(dòng)通道層367由流動(dòng)通道層359的肋373支撐，橋379形成流動(dòng)通道368的末端。橋372形成流動(dòng)通道363的末端，而流動(dòng)通道368與流動(dòng)通道層359的流動(dòng)通道374流通。開放通道374和363流通。
圖3D代表圖2A和2B的剖面4-4，說(shuō)明從圖3C的剖面旋轉(zhuǎn)90度的膜片剖面。此剖面示出外致密層351和353以及多孔陶瓷層355和357的同一視圖。多孔陶瓷層355由流動(dòng)通道層365支撐。多孔陶瓷層355與流動(dòng)通道366接觸，其是流動(dòng)通道層365的一部分。多孔陶瓷層357由流動(dòng)通道層367的肋378支撐。多孔層357與流動(dòng)通道368流通，其是流動(dòng)通道層367的一部分。
肋378又由具有用于氣體流動(dòng)的開口或縫374的流動(dòng)通道層359支撐。流動(dòng)通道層365由流動(dòng)通道層358的肋375支撐。橋371形成流動(dòng)通道366的末端。橋376形成流動(dòng)通道374的末端，且流動(dòng)通道366與流動(dòng)通道層358的流動(dòng)通道363流通。開放通道374和363流通。
因此，膜片的內(nèi)部區(qū)域被定義為流動(dòng)通道層365、流動(dòng)通道層367、流動(dòng)通道層358和流動(dòng)通道層359內(nèi)的總開放體積。365和358層內(nèi)的流動(dòng)通道可以相互垂直，367和359層內(nèi)的流動(dòng)通道也可如此。另一選擇，流動(dòng)通道358和359可以由單個(gè)流動(dòng)通道層代替，該層包括從膜片中心輻射出的與膜片中心的中心端口流通的流動(dòng)通道。
美國(guó)專利6056807中描述了用于致密活性膜的示例性組成，該專利在此引入作為參考。致密活性膜層351和353優(yōu)選包括含有至少一種通式為(LaxSr1-x)CoyO3-δ的混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物的混合金屬氧化物陶瓷材料，其中1.0＜x＜0.4，1.02≥y＞1.0，δ是使該物質(zhì)組成呈電中性的數(shù)。任何合適的陶瓷材料都可以用于多孔支撐層355和357，其可以是，比如，具有與活性膜層351和353相同組成的材料。優(yōu)選地，多孔支撐層355和357是混合傳導(dǎo)性多組分金屬氧化物材料。任何合適的材料都可以用于流動(dòng)通道層365、367、358和359的結(jié)構(gòu)件，此材料可以是，比如具有與活性膜層351和353相同組成的陶瓷材料。流動(dòng)通道層的材料優(yōu)選是致密陶瓷材料。在一種實(shí)施方案中，活性膜層351和353、多孔支撐層355和357、和流動(dòng)通道層358、359、365和367都可用具有相同組成的材料制成。
任選地，多孔層可以施用于致密層351和353的外表面。其它用于氧生產(chǎn)應(yīng)用的膜片內(nèi)部區(qū)域的示例性構(gòu)型在美國(guó)專利5681373中給出，該專利在此引入作為參考。
本發(fā)明的實(shí)施方案采用如上所述的串聯(lián)排列的多個(gè)膜組件。該串聯(lián)組件又可安裝在具有適合將氣流導(dǎo)入組件和從組件中導(dǎo)出的氣體流動(dòng)限制通道、導(dǎo)管和/或集管的一個(gè)或多個(gè)容器中。圖4A示出這些實(shí)施方案之一，其是用于從含氧氣體中回收高純氧的示例性膜分離器容器內(nèi)部的示意側(cè)視圖。膜組件401、403、405、407和409串聯(lián)安裝在壓力容器413的任選流動(dòng)限制通道411中。這些膜組件可以，例如與上述參考圖1和2B的組件類似。任選的流動(dòng)限制通道411具有入口415以引導(dǎo)輸入氣流417穿過(guò)該通道與組件401-409中膜片的外表面接觸。輸入氣流是加壓的含氧氧化劑氣體，例如空氣，其已通過(guò)任何合適的方法(未示出)加熱至600℃-1100℃的溫度。411中的氣體壓力可在0.2-8MPa的范圍內(nèi)。流動(dòng)限制通道優(yōu)選包括含有鐵和一種或多種選自鎳和鉻的元素的抗氧化金屬合金。可用于流動(dòng)限制通道的市售合金包括Haynes230、Incolloy 800H、Haynes214和Inconel693合金。
流動(dòng)限制通道411內(nèi)部的氣體壓力優(yōu)選大于在容器內(nèi)壁和流動(dòng)限制通道411外壁之間的壓力容器413內(nèi)部的氣體壓力。在壓力容器413入口和出口之間的任何位置，通道411內(nèi)部和外部的壓力差優(yōu)選保持在等于或大于零的值，其中通道內(nèi)壓力等于或大于通道外壓力容器中的壓力。這可以通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)，比如，用氣壓低于通道內(nèi)部工藝氣體的氣體吹掃通道外空間；使通道外空間與工藝氣體出口421處的通道內(nèi)工藝氣體之間流通；將吹掃氣體引入通道外空間，或者通過(guò)吹掃氣體出口排出吹掃氣體而同時(shí)利用位于吹掃氣體出口的壓力控制器保持通道外空間的壓力比通道內(nèi)低。
當(dāng)含氧氣體串聯(lián)通過(guò)膜組件401-409內(nèi)膜片的表面時(shí)，氧滲過(guò)致密活性膜層而匯集在組件的內(nèi)部區(qū)域。貧氧氣流419通過(guò)出口421離開通道和壓力容器。來(lái)自組件內(nèi)部區(qū)域的高純氧滲透產(chǎn)品流經(jīng)初級(jí)集管423、425、427、429和431，二級(jí)集管433、435、437、439和441，和主集管445，并作為高純氣體產(chǎn)品流447從系統(tǒng)中排出。膜組件401-409中的至少兩個(gè)確定組件軸，其可與壓力容器413的軸或流動(dòng)限制通道411的軸平行或重合。
上述示例性膜分離器容器有一個(gè)向膜組件進(jìn)料氣體的入口、一個(gè)流動(dòng)限制通道和一個(gè)膜組件出口，而其它實(shí)施方案可以使用多個(gè)入口、多個(gè)流動(dòng)限制通道和/或多個(gè)出口。如，壓力容器可以有兩個(gè)(或更多)流動(dòng)限制通道，每個(gè)流動(dòng)限制通道有一個(gè)或多個(gè)入口與一個(gè)或多個(gè)出口。通常，說(shuō)一個(gè)分離器容器有入口和出口時(shí)，是指其有一個(gè)或更多入口，一個(gè)或更多出口。通常，當(dāng)說(shuō)分離器容器有流動(dòng)限制通道時(shí)，是指其有一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)限制通道。
圖4A的示例性膜分離器容器的另一視圖通過(guò)剖面6-6給出，如圖4B所示。在此實(shí)施方案中，一排三個(gè)膜組件401a、401b和401c并聯(lián)地安裝于通道411中，并具有三個(gè)與二級(jí)集管433相連的初級(jí)集管423a、423b和423c。二級(jí)集管433又與主集管445相連。另一選擇，每排可以使用一個(gè)膜組件、兩個(gè)并聯(lián)膜組件或大于三個(gè)并聯(lián)膜組件。
雖然在圖4A和4B的實(shí)施方案中，二級(jí)集管433、435、437、439和441以及主集管445位于壓力容器413的內(nèi)部，但是在可選擇實(shí)施方案中這些集管可以位于壓力容器的外部。在此可選擇實(shí)施方案中，初級(jí)集管423、425、427、429和431穿過(guò)壓力容器413的器壁。
在可選擇的實(shí)施方案中，平板膜組件401-409可以由相對(duì)于通過(guò)任選管411的縱向氣流串聯(lián)放置的管狀膜組件代替。這些組件可以使用許多單個(gè)管或可以使用插入型管，組件可以這樣定向以便氣體橫向流動(dòng)穿過(guò)管或平行流動(dòng)與管接觸。在此可選擇的實(shí)施方案中，所有集管都位于壓力容器的內(nèi)部，如圖4A和4B所示。
圖5示出本發(fā)明的另一實(shí)施方案，它是用于氧化工藝的示例性膜反應(yīng)器容器內(nèi)部的示意側(cè)視圖。膜組件501、503、505、507和509串聯(lián)安裝于壓力容器513內(nèi)的流動(dòng)限制通道511中。這些膜組件可以例如類似于上述參考圖1和2A的組件。任選的流動(dòng)限制通道511具有引導(dǎo)輸入氣流517穿過(guò)該管與組件501-509中的膜片外表面接觸的入口515。輸入氣流為含有一種或多種在高溫下與氧反應(yīng)的組分的反應(yīng)物進(jìn)料氣，其中輸入的反應(yīng)物進(jìn)料氣通過(guò)任何合適的方法(未示出)被加熱到600℃-1100℃的溫度。通道511中的氣體壓力可以在0.2-8MPa的范圍內(nèi)。反應(yīng)物進(jìn)料氣的例子是水蒸氣和天然氣的混合物，其中的天然氣主要包括甲烷和較少量的輕質(zhì)烴。該混合物可以在低于約800℃的溫度下預(yù)重整以獲得含有水蒸氣、甲烷和碳氧化物的反應(yīng)物進(jìn)料氣。其它可氧化的反應(yīng)物進(jìn)料氣可以包括，例如，氫、一氧化碳、水蒸氣、甲醇、乙醇和輕質(zhì)烴的各種混合物。
流動(dòng)限制通道511內(nèi)部的氣壓優(yōu)選大于在容器內(nèi)壁和流動(dòng)限制通道511外壁之間的壓力容器513內(nèi)部的氣壓。在壓力容器513入口和出口之間任何位置，通道511內(nèi)部和外部的壓力差優(yōu)選保持在等于或大于零的值，其中通道內(nèi)部的壓力等于或大于通道外部的壓力容器中的壓力。這可以通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)，比如，用氣壓低于通道內(nèi)部工藝氣體的氣體吹掃通道外空間；使通道外空間與工藝氣體出口559處的通道內(nèi)工藝氣體之間流通；將吹掃氣體引入通道外空間，并通過(guò)吹掃氣體出口排出吹掃氣體而同時(shí)利用位于吹掃氣體出口的壓力控制器保持通道外空間的壓力比通道內(nèi)低。
膜組件501-509的內(nèi)部區(qū)域與兩個(gè)集管系統(tǒng)流通，一個(gè)將含氧的氧化劑氣體引入組件，另一個(gè)從組件中排出貧氧的氧化劑氣體。這些集管系統(tǒng)的第一個(gè)包括主輸入集管519，初級(jí)輸入集管521、523、525、527和529，和二級(jí)輸入集管531、533、535、537和539。這些集管系統(tǒng)的第二個(gè)包括主輸出集管541和初級(jí)輸出集管543、545、547、549和551。
在圖5構(gòu)型的可選構(gòu)型(未示出)中，當(dāng)位于流動(dòng)限制通道511內(nèi)時(shí)，二級(jí)輸入集管531、533、535、537和539可以分別與初級(jí)輸出集管543、545、547、549和551合并?？梢酝ㄟ^(guò)在第二導(dǎo)管或外導(dǎo)管內(nèi)安裝第一導(dǎo)管或內(nèi)導(dǎo)管使兩個(gè)集管合并，其中第一導(dǎo)管構(gòu)成第一集管，而導(dǎo)管之間的環(huán)隙構(gòu)成第二集管。這些導(dǎo)管可以同心或同軸；可選擇地，這些導(dǎo)管也可不同心或同軸，可有單獨(dú)的平行或不平行軸。提供合并集管功能的此內(nèi)外導(dǎo)管構(gòu)型在本文中被定義為嵌套式集管。
在此可選擇構(gòu)型中，氣體553通過(guò)中心管流動(dòng)，而氣體555通過(guò)每組嵌套式集管的環(huán)隙流動(dòng)。嵌套式集管可以轉(zhuǎn)變成流動(dòng)限制通道511外部的單獨(dú)集管，即轉(zhuǎn)變成二級(jí)輸入集管531、533、535和539以及初級(jí)輸出集管543、545、547、549和551，如圖5所示。任選地，在流動(dòng)限制通道511中，初級(jí)輸出集管543、545、547、549和551可以分別套裝在二級(jí)輸入集管531、533、535、537和539中。在此選項(xiàng)中，氣體555通過(guò)中心導(dǎo)管流動(dòng)，氣體553通過(guò)每組嵌套式集管的環(huán)隙流動(dòng)。因此，總之，當(dāng)位于流動(dòng)限制通道511內(nèi)時(shí)，二級(jí)輸入集管和初級(jí)輸出集管可以套裝，且二級(jí)輸入集管或初級(jí)輸出集管可以由環(huán)隙提供。
被加熱和加壓的含氧氧化劑氣體553，比如通過(guò)任何合適方法(未示出)加熱到600-1100℃溫度的空氣，進(jìn)入主輸入集管519，并通過(guò)初級(jí)輸入集管521、523、525、527和529以及二級(jí)輸入集管531、533、535、537和539流至膜組件501、503、505、507和509的入口。來(lái)自膜組件內(nèi)部區(qū)域氧化劑氣體的氧透過(guò)組件501-509膜片中的致密活性膜層，且滲透的氧與膜組件外部區(qū)域中的活性組分反應(yīng)。貧氧的氧化劑氣體通過(guò)初級(jí)輸出集管543、545、547、549和551以及主輸出集管541從膜組件的內(nèi)部區(qū)域的出口排出，且最終的貧氧氧化劑氣體作為氣流555排出。含有反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)進(jìn)料組分的輸出氣流557通過(guò)出口559從反應(yīng)器系統(tǒng)中排出。
盡管上述示例性反應(yīng)器容器有一個(gè)用于將反應(yīng)物進(jìn)料氣供入膜組件的入口、一個(gè)流動(dòng)限制通道和一個(gè)膜組件出口，但是其它使用多個(gè)入口、多個(gè)流動(dòng)限制通道和/或多個(gè)出口的實(shí)施方案也是可以的。例如，壓力容器可有兩個(gè)或多個(gè)流動(dòng)限制通道，每個(gè)都有一個(gè)或多個(gè)入口和一個(gè)或多個(gè)出口。一般地，當(dāng)反應(yīng)器容器被描述成有入口和出口時(shí)，這意味著其有一個(gè)或多個(gè)入口和一個(gè)或多個(gè)出口。一般地，當(dāng)反應(yīng)器容器被描述成有流動(dòng)限制通道時(shí)，這意味著其有一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)限制通道。
圖5的示例性膜反應(yīng)器容器的另一視圖用剖面8-8給出，如圖6所示。在此實(shí)施方案中，一排三個(gè)膜組件503a、503b和503c并聯(lián)安裝于管511中。氧化劑氣體通過(guò)主輸入集管519、初級(jí)輸入集管523和二級(jí)輸入集管533a、533b和533c流至膜組件503a、503b和503c的入口。貧氧的氧化劑氣體通過(guò)初級(jí)輸出集管545a、545b和545c(位于二級(jí)輸入集管533a、533b和533c的后方)、二級(jí)輸出集管561和主輸出集管541a和541b從膜組件503a、503b和503c中排出。雖然圖6實(shí)施方案中示出三個(gè)并聯(lián)的膜組件，但是如果需要，可以使用一個(gè)膜組件、兩個(gè)并聯(lián)膜組件或者多于三個(gè)并聯(lián)膜組件。
可以在壓力容器413的入口415中和/或壓力容器513的入口515中安裝保護(hù)床(未示出)，以除去輸入氣流417和/或517中的痕量污染物。另一選擇，保護(hù)床可以安裝在入口和第一膜組件之間的壓力容器內(nèi)部。污染物可以包括，如，含硫、含鉻和/或含硅的氣態(tài)物質(zhì)。保護(hù)床可以包括選自氧化鎂、氧化鈣、氧化銅、碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸鍶、氧化鍶、氧化鋅和含堿土的鈣鈦礦中的一種或多種物質(zhì)。這些物質(zhì)與反應(yīng)物氣體或含氧氣體的進(jìn)料流中的污染物反應(yīng)，從而除去污染物。
另外的壓力容器可以與壓力容器413串聯(lián)安裝，以便一個(gè)容器中的輸出氣體供入另一容器。另外的壓力容器可以并聯(lián)放置，其中多個(gè)壓力容器并聯(lián)和串聯(lián)操作。同樣，另外的壓力容器可以與壓力容器513串聯(lián)安裝，以便一個(gè)容器中的輸出氣體供入另一容器。另外的高壓容器可以并聯(lián)放置，其中多個(gè)壓力容器并聯(lián)和串聯(lián)操作。如果需要，可在任何串聯(lián)壓力容器之間放置保護(hù)床。
上述實(shí)施方案中，利用內(nèi)保溫來(lái)保持壓力容器413和513的器壁溫度低于各膜組件401至409和501至509的溫度是所希望的。這可以通過(guò)圖7-13所示的各種可選保溫方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中示出用于從含氧氣體中回收氧的圖4A和4B實(shí)施方案的保溫構(gòu)型。類似的保溫構(gòu)型(未示出)可以用于圖5和圖6的氧化反應(yīng)器這些可選方案的第一種示于圖7中，其中保溫層701布置在壓力容器703的內(nèi)壁中而且可與其接觸。在此實(shí)施方案中，沒(méi)有采用流動(dòng)限制通道；相反地，腔705是由保溫層本身形成的，此腔用來(lái)引導(dǎo)氣體流過(guò)膜組件的外部區(qū)域。此保溫層可以與初級(jí)集管423a、423b和423c、二級(jí)集管433和主集管445接觸。
第二種保溫構(gòu)型示于圖8中，其中保溫層801緊靠壓力容器413的內(nèi)壁布置而且可與其接觸。在此實(shí)施方案中，使用流動(dòng)限制通道411，并優(yōu)選其不與保溫層801接觸。保溫層優(yōu)選不與初級(jí)集管423a、423b和423c、二級(jí)集管433和主集管445接觸。
第三種保溫構(gòu)型示于圖9中，其中保溫層901完全充滿容器內(nèi)壁和流動(dòng)限制通道411、初級(jí)集管423a、423b和423c、二級(jí)集管433以及主集管445的外表面之間的壓力容器內(nèi)部區(qū)域。保溫層可以與容器內(nèi)壁和流動(dòng)限制通道411、初級(jí)集管423a、423b和423c、二級(jí)集管433和主集管445的外表面接觸。
另一種可選的保溫構(gòu)型示于圖10中，其中保溫層1001在膜組件的周圍形成腔1003，此腔用于引導(dǎo)氣體流過(guò)組件的外部區(qū)域。保溫層1001可以與初級(jí)集管423a、423b和423c接觸，典型地不與壓力容器413的內(nèi)壁接觸。
圖11示出另一種可選的保溫構(gòu)型，其中保溫層1101圍繞在流動(dòng)限制通道411周圍，411又如上所述包圍膜組件。保溫層1101可以與初級(jí)集管423a、423b和423c接觸，典型地不與壓力容器413的內(nèi)壁和流動(dòng)限制通道411的外表面接觸。
另一種保溫構(gòu)型示于圖12中，其中保溫層1201圍繞在流動(dòng)限制通道411周圍，411又如上所述包圍膜組件。保溫層1201可以與初級(jí)集管423a、423b和423c接觸，典型地與流動(dòng)限制通道411的外表面接觸，典型地不與壓力容器413的內(nèi)壁接觸。
最后一種保溫構(gòu)型示于圖13中，其中保溫層1303放置在流動(dòng)限制通道411的內(nèi)壁之內(nèi)而且通常與之接觸，其中保溫層在膜組件周圍形成腔1305，此腔用于引導(dǎo)氣體流過(guò)組件的外部區(qū)域。保溫層1303可以與初級(jí)集管423a、423b和423c接觸。
在上述圖7-13的任何實(shí)施方案中，在初級(jí)集管423a、423b和423c中典型地使用金屬-陶瓷密封以從金屬集管過(guò)渡到陶瓷組件。同樣，在圖6的氧化反應(yīng)器實(shí)施方案和類似圖7-13的相應(yīng)保溫實(shí)施方案中，典型地在初級(jí)集管533a、533b和533c中使用金屬-陶瓷密封以從金屬集管過(guò)渡到陶瓷組件。在圖10-13的實(shí)施方案(和用于氧化反應(yīng)器的類似實(shí)施方案)中，這些密封優(yōu)選位于保溫層1001、1101、1201和1303(與集管423a、423b和423c接觸，但不與集管433接觸)內(nèi)，以獲得所需的密封操作溫度。
在圖7-13的任何實(shí)施方案中，可在壓力容器的外表面周圍放置另外的保溫層(未示出)，例如以保護(hù)操作人員免受潛在熱容器表面的傷害。該另外的保溫層還可用于確保容器內(nèi)部溫度高于容器內(nèi)任何氣體的露點(diǎn)。在圖10-13的任何實(shí)施方案中，另外的保溫層(未示出)可以靠近壓力容器的內(nèi)表面放置。在圖4A、4B和5-13的任何實(shí)施方案中，任何集管都可以內(nèi)保溫和/或外保溫(未示出)。該保溫層用于改善流動(dòng)限制通道411和集管的熱膨脹均勻性。
圖7-13的實(shí)施方案中使用的保溫層可以含有氧化鋁、硅鋁酸鹽、二氧化硅、硅酸鈣或其它適合在高溫下使用的常規(guī)保溫材料。該保溫層可以包括，例如一種或多種選自纖維狀氧化鋁、纖維狀硅鋁酸鹽、多孔氧化鋁和多孔硅鋁酸鹽的材料。在圖7、10和13的實(shí)施方案中，其中保溫層本身在膜組件周圍形成腔，腔的內(nèi)壁可以被涂覆或覆蓋用以防止來(lái)自保溫層的揮發(fā)性組分與膜組件接觸的材料。例如該腔可以襯有由金屬如Haynes 214制成的箔，以防止可能由保溫材料產(chǎn)生的含Si蒸汽物質(zhì)和/或可能由金屬管道材料產(chǎn)生的含鉻蒸汽物質(zhì)與膜組件接觸。
保溫層可以包括一種或多種選自氧化鎂、氧化鈣、氧化銅、碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸鈉、氧化鋅、氧化鍶和含堿土的鈣鈦礦的其它材料，其中這些材料可以施用于保溫層的表面和/或分散于整個(gè)保溫層內(nèi)。這些其它材料可以代替上述保護(hù)床使用或者除上述保護(hù)床之外還使用這些其它材料。這些材料與反應(yīng)物氣體進(jìn)料流中可能存在的污染物反應(yīng)并將其去除，這些污染物可以包括，例如含硫、含鉻、含硅或含氧的氣態(tài)物質(zhì)。
以串聯(lián)流動(dòng)構(gòu)型放置膜片的一種可選實(shí)施方案示于圖14中。在此實(shí)施方案中，如前面所述由膜片和間隔物形成很高的層疊體，該層疊體安裝于壓力容器1401中。輸入管線1403和輸出管線1405連接于氣體集管罩組件1407，1407引導(dǎo)輸入氣流1408以交替的方向流過(guò)膜片組并作為輸出氣流1409通過(guò)輸出管線1405流出。在此實(shí)施方案中，層疊體被罩組件分割成第一膜片區(qū)1411、第二膜片區(qū)1413和第三膜片區(qū)1415。因此輸入氣體1408串聯(lián)流過(guò)膜片區(qū)1411、1413和1415，并通過(guò)輸出管線1405排出。雖然為了舉例說(shuō)明在此示出三個(gè)膜片區(qū)，但是如果需要可以使用任何數(shù)量的膜片區(qū)。
圖14的實(shí)施方案可以作為氧回收裝置或者作為氧化反應(yīng)器裝置使用。當(dāng)作為氧回收裝置使用時(shí)，由膜片和間隔物構(gòu)成的層疊體，如前面參考圖1和2B所述。在氧回收工藝中，輸入氣體1408是被加熱、加壓的含氧氣體(例如空氣)，輸出氣流1409是貧氧的含氧氣體，通過(guò)輸出管線1419流出的氣流1417是高純氧產(chǎn)品流，其壓力典型地低于加壓的含氧氣體。當(dāng)作為氧化反應(yīng)器系統(tǒng)使用時(shí)，由膜片和間隔物構(gòu)成的層疊體，如前面參考圖1和2A所述。在氧化工藝中，輸入氣體1408是被加熱、加壓的反應(yīng)物氣體，輸出氣體1409是氧化反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物氣體組分的混合物。氣流1417是貧氧的含氧氣流，其壓力典型地低于加壓的反應(yīng)物氣體。新鮮的含氧氧化劑氣體(例如空氣)通過(guò)內(nèi)部層疊體集管流入層疊體，如參考圖2A所述；此集管的入口在圖14中看不見，因?yàn)槠湮挥谳敵龉芫€1419的后面。
圖14中的實(shí)施方案可以根據(jù)需要用串聯(lián)和/或并聯(lián)的多個(gè)壓力容器操作。如果需要，可在一個(gè)壓力容器中安裝多個(gè)組件。
串聯(lián)膜組件可以排列在并聯(lián)組件的排中，如前面參考圖4A、4B、5和6所述。在圖15中對(duì)此進(jìn)行舉例說(shuō)明，其是流動(dòng)限制通道511和通道內(nèi)膜組件的平面剖視圖(不成比例)。在此示例性實(shí)施方案中，每排三個(gè)并聯(lián)組件，共五排，排列使得每組串聯(lián)組件位于共同的組件軸上，即組件501a、503a、505a、507a和509a位于同一軸上，組件501b、503b、505b、507b和509b位于同一軸上，組件501c、503c、505c、507c和509c位于同一軸上。因此在此實(shí)施例中有三個(gè)軸，與每排的組件數(shù)相等。每排包括多個(gè)并聯(lián)的組件，例如組件501a、501b和501c構(gòu)成一排并聯(lián)組件。多個(gè)組件也可以串聯(lián)排列；例如組件501c、503c、505c、507c和509c構(gòu)成串聯(lián)組件。串聯(lián)組件的定義也可以包括組件的各排；例如501a、501b和501c這排組件與503a、503b和503c這排組件串聯(lián)。因此，圖15的組件構(gòu)型包括串聯(lián)組件和并聯(lián)組件。
實(shí)際上，可能期望促進(jìn)氣體在相繼組件排之間充分徑向混合(即氣體以偏離串聯(lián)組件軸的方向流動(dòng))以使氣體繞過(guò)膜組件的有害作用最小化。因此圖15的組件構(gòu)型最好可描述為包括并聯(lián)組件和串聯(lián)操作的并聯(lián)組件排。正如許多氣體流動(dòng)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)適當(dāng)選擇軸和內(nèi)部元件(即膜組件)間的徑向間距和/或利用折流板促進(jìn)氣體混合而使徑向混合的程度最大化。
入口1503內(nèi)的輸入氣流1501串聯(lián)流過(guò)每排徑向取向的(即并聯(lián))組件。通過(guò)適當(dāng)選擇軸和組件間的徑向間距，少量氣體可能繞過(guò)組件501a、501b和501c，但因其以徑向混合或擴(kuò)散而最終會(huì)與下游組件接觸。出口氣流1505流過(guò)出口1507。氣體流過(guò)每個(gè)相繼的組件排從而確定此實(shí)施方案的串聯(lián)排列，其中所有或幾乎所有來(lái)自一排并聯(lián)組件的氣體與串聯(lián)組件中下一排并聯(lián)組件接觸。任何所需數(shù)量的組件都可以徑向并聯(lián)使用，且任何所需數(shù)量的并聯(lián)組件排都可以軸向串聯(lián)使用。
在涉及圖4A和4B或圖5和6的本發(fā)明的可選實(shí)施方案中，并聯(lián)膜組件的各排可以交錯(cuò)或偏置串聯(lián)排列的方式取向，以致第一排的三個(gè)組件后面串聯(lián)的是偏置的第二排的三個(gè)組件，第二排后面又串聯(lián)有偏置的第三排的三個(gè)組件，以此類推。圖16中舉例說(shuō)明了此實(shí)施方案，其中第一排的三個(gè)組件502a、502b和502c后面串聯(lián)著在垂直于流動(dòng)限制通道511的軸的方向偏置的第二排的三個(gè)組件504a、504b和504c。第三排的三個(gè)組件506a、506b和506c相對(duì)于第二排偏置，但這些組件與第一排的組件同軸。此偏置關(guān)系可以相似方式延續(xù)至第四排組件508a、508b和508c及第五排組件510a、510b和510c。每排可以包括多個(gè)并聯(lián)的組件，例如組件502a、502b和502c構(gòu)成一排并聯(lián)組件。多個(gè)組件也可以串聯(lián)排列；例如組件502c、504c、506c、508c和510c可以構(gòu)成串聯(lián)組件。串聯(lián)組件的定義也可以包括組件的各排，比如502a、502b和502c這排組件與504a、504b和504c這排組件是串聯(lián)的。因此圖16的組件構(gòu)型包括串聯(lián)組件和并聯(lián)組件。
圖16的組件在六個(gè)軸上，即組件502c、506c和510c在一個(gè)軸上，組件504c和508c在另一個(gè)軸上，以此類推。這些軸可以平行于氣體流過(guò)組件的總流向。在此實(shí)施方案中，軸的數(shù)量大于每排組件中組件的數(shù)量。
在圖16的實(shí)施方案中，輸入氣流1601通過(guò)入口1603進(jìn)入，并流過(guò)第一排中的組件502a、502b和502c。此氣體的一部分可能繞過(guò)組件502a，但是在無(wú)明顯徑向混合的情況下，至少會(huì)接觸偏置組件504a。在組件502a、502b和502c之間流動(dòng)的氣體至少會(huì)與下一組偏置組件504b和504c接觸。從第一排的組件502a中流出的部分氣體至少與第二排的兩個(gè)組件(504a和504b)接觸。這樣，此偏置排列防止了氣體繞路直接通過(guò)在同一軸上的組件各行之間的間隙。相反地，繞過(guò)一排組件中任一組件的氣體會(huì)直接撞擊下一排組件中的組件。在無(wú)明顯徑向混合的情況下，來(lái)自一排中的一個(gè)或多個(gè)組件的至少一部分氣體會(huì)與下一排的一個(gè)或多個(gè)組件接觸，這定義了此實(shí)施方案中組件的串聯(lián)排列。
因此，根據(jù)本發(fā)明的串聯(lián)排列組件的定義包括上述參考圖15和16描述的兩種實(shí)施方案。在這些實(shí)施方案中，成排組件的軸和串聯(lián)組件的軸可以基本上相互垂直，串聯(lián)組件的軸可以基本平行于氣體流過(guò)容器的總方向。也可以采用其它實(shí)施方案，其中成排組件的軸不與串聯(lián)組件的軸基本垂直和/或其中串聯(lián)組件的軸不與氣體流過(guò)容器的總方向基本平行。在這些可選實(shí)施方案中，成排的組件與氣體流過(guò)容器的總方向成銳角。這些可選實(shí)施方案包含于本發(fā)明串聯(lián)排列組件的定義中。
上述串聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)可以在由含烴進(jìn)料氣比如天然氣生產(chǎn)合成氣的氧化設(shè)備中使用。在此應(yīng)用中，可以在任何串聯(lián)組件、任何并聯(lián)組件、任何串聯(lián)和并聯(lián)組件之間和/或在容器內(nèi)最后的組件之后布置重整催化劑。重整催化劑促進(jìn)水和/或二氧化碳與烴特別是甲烷的吸熱反應(yīng)以產(chǎn)生氫和一氧化碳。該催化劑可以用于補(bǔ)償或平衡在滲透氧和靠近組件內(nèi)活性膜材料表面的反應(yīng)物之間發(fā)生的放熱氧化反應(yīng)。通過(guò)在多組件串聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)中的各組件之間的關(guān)鍵位置適當(dāng)使用重整催化劑，可控制反應(yīng)器的溫度分布和產(chǎn)物氣體組成以便實(shí)現(xiàn)最佳反應(yīng)器操作。
本發(fā)明的實(shí)施方案通過(guò)多組件串聯(lián)氧化反應(yīng)器系統(tǒng)各組件之間適當(dāng)催化劑的示例性布置來(lái)舉例說(shuō)明。例如參考圖15，催化劑501d、501e和501f可以串聯(lián)方式放置于第一排組件501a、501b和501c與第二排組件503a、503b和503c中任何組件之間的空間中。另一選擇，催化劑501d、501e和501f可以在流動(dòng)限制通道511的內(nèi)壁之間連續(xù)延伸。同樣地，催化劑可以放置在任何或所有第二排和第三排組件、第三排和第四排組件、第四排和第五排組件之間、或在第五排之后(未示出)。相似地，催化劑可以串聯(lián)方式放置于圖16實(shí)施方案中任何或所有偏置的各排組件之間。例如，參考圖16，催化劑502d、502e和502f可以串聯(lián)方式放置于第一排和第二排組件之間的空間內(nèi)。另一選擇，催化劑502d、502e和502f可以在流動(dòng)限制通道511的內(nèi)壁之間連續(xù)延伸。一般地，催化劑可以串聯(lián)方式放置于圖15和16中任何或所有串聯(lián)的組件排之間或下游。
另外地或另一選擇，催化劑可以放置于一排并聯(lián)組件中的各組件之間以促進(jìn)在組件間通過(guò)的氣體中的重整反應(yīng)。例如，在圖15中催化劑505d和505e可以放置于組件505a和505b之間以及505b和505c之間。另一選擇，催化劑505d和505e可以在第一至第五排組件之間軸向連續(xù)延伸。例如，在圖16中，催化劑506d和506e可以放置于組件406a和506b之間以及506b和506c之間。一般地，催化劑以并聯(lián)方式放置于圖15和16中任何或所有并聯(lián)組件之間。
因此，在此概念的最廣應(yīng)用中，催化劑可以放置于圖15和16實(shí)施方案或者有串聯(lián)和并聯(lián)組件布置的任何其它實(shí)施方案中任何兩個(gè)相鄰組件之間的空間中。另外，當(dāng)壓力容器513與其它相似壓力容器串聯(lián)操作時(shí)，催化劑可以放置于容器之間以致從一個(gè)壓力容器中流出的氣體在進(jìn)入第二個(gè)壓力容器之前通過(guò)催化劑。
催化劑的類型和/或數(shù)量可根據(jù)壓力容器中各組件之間的軸向或徑向位置而變化。在一種選擇中，例如催化劑的活性在軸向上可以不同，以便對(duì)整個(gè)反應(yīng)器中的組件溫度進(jìn)行最佳控制。例如靠近反應(yīng)器入口的催化部分可以包括在較低溫度下顯示活性的催化劑(即高Ni負(fù)載)，而在反應(yīng)器的較高溫區(qū)域最佳催化劑組合物可能具有較低的活性和較大的熱穩(wěn)定性(即低Ni負(fù)載)。這樣，可在反應(yīng)器內(nèi)任何軸向位置獲得最佳催化劑活性，同時(shí)保持催化劑的熱穩(wěn)定性。也可以采用其它催化劑布置，其均落入要求保護(hù)發(fā)明的實(shí)施方案的范圍內(nèi)。
在此實(shí)施方案中使用的催化劑可以包括一種或多種選自鎳、鈷、鉑、金、鈀、銠、釕和鐵的金屬或者含有這些金屬的化合物。催化劑可以負(fù)載于氧化鋁或其它氧化物載體之上，而且可以包括其它組分比如鑭或鉀。催化劑可以任何已知的方法放置于組件之間，包括，例如使用整體催化劑或使用在裝配于組件間空間內(nèi)的合適催化劑夾持器中的粒狀催化劑。
上述離子遷移膜系統(tǒng)使用串聯(lián)操作的多個(gè)膜組件，用于氧回收或氧化工藝，組件按串聯(lián)流動(dòng)構(gòu)型排列以控制經(jīng)過(guò)各組件抽提氧的量或經(jīng)過(guò)各組件的轉(zhuǎn)化程度。當(dāng)單個(gè)組件或成排的多個(gè)組件沿著基本上與容器軸平行的軸串聯(lián)排列時(shí)，容器的長(zhǎng)度由串聯(lián)的組件或排的數(shù)目確定。大量的組件可能需要極長(zhǎng)的容器，而在許多設(shè)計(jì)情況下需要較短的容器長(zhǎng)度。例如，很長(zhǎng)容器的運(yùn)輸可能困難而且費(fèi)用高。同樣，很長(zhǎng)容器所需占地面積或“軌跡”在諸如城區(qū)、海上平臺(tái)、和船舶等空間有限的應(yīng)用中存在困難。而且，在某些應(yīng)用中，直徑稍大的明顯較短的容器可能更劃算。
下述本發(fā)明實(shí)施方案中，通過(guò)裝有多個(gè)流過(guò)膜組件外表面的氣體通道的容器設(shè)計(jì)解決了這些問(wèn)題。一種應(yīng)用中，偶數(shù)的通道允許在容器的同一端布置進(jìn)氣噴嘴和出氣噴嘴，從而減小通到其它工藝裝置如換熱器的管道的長(zhǎng)度或復(fù)雜性。這可以使設(shè)備布局更緊湊，通過(guò)減少管道的熱損失而獲得較低的投資和操作費(fèi)用。
前述單通路或多個(gè)并聯(lián)通路的系統(tǒng)中，流過(guò)膜外側(cè)的氣體大體上沿軸向流過(guò)膜組件容器，即從入口到出口的流動(dòng)大體上與容器軸平行。撞擊膜組件的氣流可能造成局部非軸向流動(dòng)，但總體流動(dòng)是沿軸向的。有第一端和第二端的容器軸由從第一端到第二端通過(guò)容器的平行于側(cè)面的直線確定。大多數(shù)用于加壓操作的容器是圓筒形的，圓筒形容器中容器軸與圓筒軸相同，并與容器壁平行。
本發(fā)明各實(shí)施方案中，通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)置于壓力容器內(nèi)部、用于在容器內(nèi)引導(dǎo)氣體以任意方向流動(dòng)和/或使氣體的流動(dòng)轉(zhuǎn)向非軸向的氣流控制隔板而獲得多個(gè)氣體流動(dòng)通路。例如，可以安裝氣流控制隔板以在與容器軸成約90度和約180度之間的方向改變氣體流動(dòng)，如后面所述。相對(duì)于容器軸任何方向的氣流控制都是可能的。
將氣流控制隔板定義為放置或安裝在容器內(nèi)、用于引導(dǎo)容器內(nèi)氣體的流動(dòng)和/或改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的流動(dòng)方向的任何形狀的構(gòu)件。氣流控制隔板是與容器壁分開的，但該隔板可以固定在容器壁上，并且可以和容器壁協(xié)作來(lái)控制和/或引導(dǎo)容器內(nèi)氣體的流動(dòng)。氣流控制隔板與安裝在容器內(nèi)的膜組件或催化劑是不同的。術(shù)語(yǔ)“氣流的方向”和“氣體流動(dòng)方向”等同，意指在容器內(nèi)第一位置和第二位置之間流過(guò)膜外部的氣體的方向。盡管局部氣流可能有漩渦、湍流或橫流，但氣體的總體流動(dòng)確定了在第一位置和第二位置之間氣流的方向。
圖17A舉例說(shuō)明了多氣流通路的一種實(shí)施方案。流動(dòng)限制通道1701外形類似于圖15和圖16中的，有外壁1703、入口1705和出口1707。如圖4A和圖5所示，該通道可以與壓力容器共軸安裝。該通道轉(zhuǎn)有與氣流控制隔板1711相連的氣流控制隔板1709。該通道還裝有與氣流控制隔板1715相連的氣流控制隔板1713。由下壁1703、氣流控制隔板1709和氣流控制隔板1711形成的通道中裝有膜組件1717、1719、1721、1723和1725。由氣流控制隔板1709、1711、1713和1715形成的通道中裝有膜組件1727、1729、1731、1733和1735。由氣流控制隔板1715、氣流控制隔板1713和上壁1703形成的通道中裝有膜組件1737、1739、1741、1743和1745。這些膜組件可以是前面描述的用于氧回收或氧化工藝的任何組件。
氣流控制隔板1709使輸入氣流1747轉(zhuǎn)向，依次流經(jīng)在壁1703和氣流控制隔板1711之間通道中的膜組件1717、1719、1721、1723和1725。氣流控制隔板1713和相鄰的部分器壁1703使氣流1749相對(duì)于通道軸和壓力容器軸反轉(zhuǎn)180度，反轉(zhuǎn)的氣體依次流經(jīng)氣流控制隔板1711和1715之間通道中的膜組件1727、1729、1731、1733和1735。氣流控制隔板1709和相鄰的部分器壁1703使氣流1751反轉(zhuǎn)180度，反轉(zhuǎn)的氣體平行于通道軸和壓力容器軸依次流經(jīng)氣流控制隔板1715和器壁1703之間通道中的膜組件1737、1739、1741、1743和1745。輸出氣流1753經(jīng)出口1707從通道中排出。使用這些氣流控制隔板引導(dǎo)氣體在約為沒(méi)有這些隔板的通道和容器長(zhǎng)度的三分之一的通道和容器長(zhǎng)度內(nèi)連續(xù)流經(jīng)膜組件1717～1745。
氣流1747、1749、1751和1753以非軸向通過(guò)，同時(shí)流過(guò)膜外部的氣體如圖17A所示改變方向。
圖17B是圖17A中10-10剖面(旋轉(zhuǎn)90度)的視圖，說(shuō)明通過(guò)由氣流控制隔板和通道壁形成的通道的氣體流動(dòng)。氣流1747a(已接觸組件1717)流入圖17B的平面，進(jìn)入由壁1703、氣流控制隔板1711、通道上壁1712和通道下壁1714形成的通道1755，其中氣體流經(jīng)膜組件1719以及連續(xù)的組件1721～1725(未示出)。氣流1749反轉(zhuǎn)并經(jīng)由氣流控制隔板1711和1715、通道上壁1712和通道下壁1714形成的通道1757通過(guò)組件1727～31(未示出)和1733，氣流1749a從圖17b的平面流出。該氣流經(jīng)過(guò)組件1735(未示出)，受氣流控制隔板1 709和相鄰的器壁部分(圖17A)作用而反轉(zhuǎn)180度，然后流經(jīng)組件1737(未示出)。該氣流(現(xiàn)在作為氣流1751a示出)流入圖17B的平面，進(jìn)入由氣流控制隔板1715、通道上壁1712、通道下壁1714和壁1703形成的通道1759，流經(jīng)組件1739和組件1741～1745(未示出)。
圖17A和圖17B的組件可以是氧分離組件(如圖4A和4B)或氧化反應(yīng)組件(如圖5和6)。
圖18A舉例說(shuō)明了一種可供選擇的實(shí)施方案，其中設(shè)計(jì)的流動(dòng)限制通道包圍兩組并聯(lián)膜組件，使輸入氣流和輸出氣流在通道和容納通道的壓力容器(未示出)的同一端。通道1801包括入口1803、出口1805、第一壁1807、第二壁1809、端壁1811和內(nèi)部氣流控制隔板1813。輸入氣體1815流經(jīng)兩組并聯(lián)的五個(gè)膜組件1817～1825和1827～1835。中間氣流1836被端壁181 1轉(zhuǎn)向180度而流經(jīng)兩組并聯(lián)的五個(gè)膜組件1837～1845和1847～1855。輸出氣流1857經(jīng)由出口1805排出。
圖18B是圖18A中12-12剖面(旋轉(zhuǎn)90度)的視圖，舉例說(shuō)明氣體通過(guò)由氣流控制隔板和通道壁形成的通道的流動(dòng)。輸入氣流1815流入圖18B的平面和由壁1809、內(nèi)部隔板1813、上壁1861和下壁1863形成的通道1859。氣體流經(jīng)并聯(lián)組件1817和1827，然后再流經(jīng)并聯(lián)組件1819～1825和1829～1835(未示出)。如上所述使氣流反轉(zhuǎn)，并流經(jīng)由壁1807、氣流控制隔板1813、上壁1861和下壁1863形成的通道1865，其中氣體流經(jīng)并聯(lián)組件1837～1843和1847～1853(未示出)。氣體最后流經(jīng)組件1845和1855，輸出氣流1857經(jīng)由出口1805排出。
圖18A和圖18B的組件可以是氧分離組件(如圖4A和圖4B)或氧化反應(yīng)組件(如圖5和6)。
圖19示出對(duì)圖18A和18B所示系統(tǒng)的修改。在這種可選排列中，氣體在流動(dòng)限制通道中形成四個(gè)通道，而且這些通道在多于一個(gè)的水平面內(nèi)。圖19中，通道1901和1903在較低的水平面內(nèi)，而通道1905和1907在較高的水平面內(nèi)。通道1901由側(cè)壁1909、下壁1914、氣流控制隔板1921和氣流控制隔板1923形成。通道1903由側(cè)壁1911、下壁1914、氣流控制隔板1921和氣流控制隔板1923形成。通道1905由側(cè)壁1911、上壁1913、氣流控制隔板1921和氣流控制隔板1923形成。通道1907由側(cè)壁1909、上壁1913、氣流控制隔板1921和氣流控制隔板1923形成。
在此修改中，通道1905和1907中的兩組并聯(lián)組件是反向的，并且組件集管在膜組件的上方。這可以使溫度較低的集管和密封區(qū)域往靠近流動(dòng)通道外部的較低溫區(qū)域放置，使組件壽命更長(zhǎng)。另一實(shí)施方案(未示出)中所有組件都是豎立的(即不是反向)，所有組件集管都以大體相同的方向取向。為使密封區(qū)域保持在較低溫度，集管應(yīng)在側(cè)面或底部從流動(dòng)通道中伸出。
圖20說(shuō)明另一實(shí)施方案，其中氣流控制隔板這樣取向以使氣體流動(dòng)方向以90度和180度轉(zhuǎn)向的組合改變。此實(shí)施方案中，流動(dòng)限制通道2001由外壁2003、2005、2007和2009、入口2011和出口2013限定。輸入氣流2015流過(guò)通道2001的內(nèi)部區(qū)域，相繼有90°、180°、90°、180°和180°的流向改變，最終氣流2017經(jīng)由出口2013排出。這些氣流方向的改變分別由壁2003與氣流控制隔板2019、壁2005、氣流控制隔板2019和氣流控制隔板2021、氣流控制隔板2023與壁2009、壁2007、氣流控制隔板2023與氣流控制隔板2025、氣流控制隔板2021及氣流控制隔板2025與壁2005實(shí)現(xiàn)。壁與氣流控制隔板的此組合提供相繼的流動(dòng)通道2027、2029、2031、2035、2037、2039和2041。如圖所示，流經(jīng)這些通道的氣體依次通過(guò)13個(gè)膜組件2043～2067。
通過(guò)由氣流控制隔板形成的通道的氣體流動(dòng)不必與容器的軸大體平行，可以是任意需要的有利方向。而且，多個(gè)通道可以在同一流動(dòng)通道或容器內(nèi)沿著不同軸排列，其它角度也是可以的。與容器軸成直角的通道有便于維修或拆除膜組件或容器部件的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在容器和流動(dòng)通道在沿著容器長(zhǎng)度的一個(gè)或多個(gè)位置設(shè)有主體法蘭時(shí)。另外，有垂直于容器軸的通道可有助于保持溫度、壓力和/或氣體組成分布僅隨容器長(zhǎng)度的軸向距離而變化。這可以降低膜和容器內(nèi)的熱-化學(xué)-機(jī)械應(yīng)力，從而可延長(zhǎng)膜組件和容器系統(tǒng)的操作壽命。容器可以串聯(lián)連接，每個(gè)容器可以有根據(jù)系統(tǒng)的特定工藝操作條件而設(shè)計(jì)的不同排列的隔板和氣體通道。
內(nèi)部氣流控制隔板可以由任意所希望的材料制造，例如碳鋼、鋼合金、高溫合金和陶瓷。氣流控制隔板及隔板之間或隔板與流動(dòng)通道之間的接頭未必需要密封，通道之間的少量泄漏是允許的。氣流控制隔板可以用任何所希望的方法例如熔焊、螺栓連接、壓入配合、彈簧墊架或夾緊連接來(lái)安裝或固定。
上述多通道容器設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于任何用于氧回收或氧化反應(yīng)工藝的、使用串聯(lián)操作的多個(gè)膜組件的離子遷移膜系統(tǒng)。例如，任一實(shí)施方案都可以應(yīng)用于參考圖4A和4B描述的用于氧回收的膜組件。另一選擇，任一實(shí)施方案都可以應(yīng)用于前面參考圖5和6描述的用于實(shí)現(xiàn)氧化過(guò)程的膜組件。如前參考圖15和圖16所述，串聯(lián)的膜組件可有設(shè)置在任意串聯(lián)組件之間的重整催化劑。
權(quán)利要求
1.一種離子遷移膜系統(tǒng)，包括(a)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(b)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(c)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在壓力容器內(nèi)部，用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流的方向。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中每個(gè)平板膜組件包括多個(gè)具有平行表面的膜片，壓力容器是圓筒形的，其軸可以與膜片的部分或全部平行表面平行。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部區(qū)域，包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件，而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域中設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中流動(dòng)限制通道和一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板包含抗氧化金屬合金，此合金含有鐵和選自鎳和鉻的一種或多種元素。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中至少兩個(gè)平板離子遷移膜組件確定一個(gè)組件軸，其中壓力容器是圓筒形的，具有與該組件軸平行或共軸的軸。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中至少兩個(gè)平板離子遷移膜組件確定一個(gè)組件軸，其中壓力容器是圓筒形的，具有與該組件的軸垂直的軸。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板的每一個(gè)都這樣定位以使氣流的初始方向被轉(zhuǎn)向成氣流的最終方向，其中氣流的初始方向和最終方向之間形成的夾角大于0度且小于或等于180度。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板的每一個(gè)都這樣定位以使氣流的初始方向被轉(zhuǎn)向成氣流的最終方向，其中氣流的初始方向和最終方向之間形成的夾角大于90度且小于或等于180度。
9.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板的每一個(gè)都這樣定位以使氣流的初始方向被轉(zhuǎn)向成氣流的最終方向，其中氣流的初始方向和最終方向之間形成180度角。
10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括(d)一個(gè)或多個(gè)附加壓力容器，每個(gè)都有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸；(e)布置于每個(gè)壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(f)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在每個(gè)壓力容器內(nèi)部，用于改變所述一個(gè)或多個(gè)壓力容器中任意容器內(nèi)氣流的方向；其中至少兩個(gè)壓力容器串聯(lián)排列，使一個(gè)壓力容器的出口與另一個(gè)壓力容器的入口流通。
11.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括(d)一個(gè)或多個(gè)附加壓力容器，每個(gè)都有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸；(e)布置于每個(gè)壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(f)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在每個(gè)壓力容器內(nèi)部，用于改變所述一個(gè)或多個(gè)壓力容器中任意容器內(nèi)氣流的方向；其中至少兩個(gè)壓力容器并聯(lián)排列，使一個(gè)壓力容器的任一入口和另一個(gè)壓力容器的任一入口與同一進(jìn)料管流通。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括布置在任意兩個(gè)串聯(lián)排列的平板離子遷移膜組件之間的催化劑。
13.權(quán)利要求12的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中催化劑包括一種或多種金屬或含有金屬的化合物，所述金屬選自鎳、鈷、鉑、金、鈀、銠、釕和鐵。
14.權(quán)利要求12的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中催化劑安置在多個(gè)串聯(lián)組件之間，在串聯(lián)組件之間的不同位置處催化劑的活性不同。
15.一種從含氧氣體中回收氧的方法，包括(a)提供離子遷移膜分離器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(1)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(2)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(3)布置在壓力容器內(nèi)部、用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流方向的一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板；(b)提供加熱、加壓的含氧進(jìn)料氣流，經(jīng)由壓力容器的入口將所述進(jìn)料氣流引入膜組件的外部區(qū)域，并使所述進(jìn)料氣流與混合金屬氧化物陶瓷材料接觸；(c)使氧離子滲透穿過(guò)混合金屬氧化物陶瓷材料，在膜組件的內(nèi)部區(qū)域回收高純氧氣產(chǎn)品，并通過(guò)氣體集管從膜組件的內(nèi)部區(qū)域?qū)⒏呒冄鯕猱a(chǎn)品排到壓力容器的外部；和(d)從壓力容器出口取出貧氧的含氧氣體。
16.權(quán)利要求15的方法，其中含氧進(jìn)料氣的壓力大于高純氧氣產(chǎn)品的壓力。
17.權(quán)利要求15的方法，還包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件，而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域中設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。
18.權(quán)利要求17的方法，其中在壓力容器入口和出口之間的任何位置，流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間的壓差保持在等于或大于0的值，其中限制通道內(nèi)部的壓力等于或大于限制通道外壓力容器內(nèi)的壓力。
19.一種氧化工藝，包括(a)提供離子遷移膜分離器系統(tǒng)，包括(1)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(2)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(3)布置在壓力容器內(nèi)部、用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流方向的一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板；(b)提供加熱、加壓的反應(yīng)物進(jìn)料氣流，經(jīng)由壓力容器的入口將所述反應(yīng)物進(jìn)料氣流引入膜組件的外部區(qū)域；(c)向膜組件的內(nèi)部區(qū)域提供含氧的氧化劑氣體，使氧離子滲透穿過(guò)混合金屬氧化物陶瓷材料，使氧與膜組件外部區(qū)域中的反應(yīng)物進(jìn)料氣流中的各組分發(fā)生反應(yīng)而生成氧化產(chǎn)物，并通過(guò)出口從膜組件的外部區(qū)域?qū)⒀趸a(chǎn)物排列壓力容器的外部以提供氧化產(chǎn)物流；和(d)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)集管從膜組件的內(nèi)部區(qū)域?qū)⒇氀醯暮鯕怏w排到壓力容器的外部。
20.權(quán)利要求19的工藝，其中加壓反應(yīng)物進(jìn)料氣流的壓力大于含氧氧化劑氣體的壓力。
21.權(quán)利要求19的工藝，還包括布置在壓力容器內(nèi)部的流動(dòng)限制通道，其中流動(dòng)限制通道有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，包圍多個(gè)平板離子遷移膜組件，而且與壓力容器的入口和出口流通，并且在流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域中設(shè)置了一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板。
22.權(quán)利要求21的工藝，其中在壓力容器入口和出口之間的任何位置，流動(dòng)限制通道內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間的壓差保持在等于或大于0的值，其中限制通道內(nèi)部的壓力等于或大于限制通道外壓力容器內(nèi)的壓力。
23.權(quán)利要求19的工藝，其中加壓反應(yīng)物進(jìn)料氣流包括一種或多種含有一個(gè)或多個(gè)碳原子的烴。
24.權(quán)利要求23的工藝，其中加壓反應(yīng)物進(jìn)料氣流包括甲烷。
25.權(quán)利要求23的工藝，其中氧化產(chǎn)物流包括氫和碳氧化物。
全文摘要
一種離子遷移膜系統(tǒng)，包括(a)有內(nèi)部、用于向容器內(nèi)部引入氣體的入口、用于從容器內(nèi)部排出氣體的出口和軸的壓力容器；(b)布置于壓力容器內(nèi)部而且串聯(lián)排列的多個(gè)平板離子遷移膜組件，每個(gè)膜組件都包括混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；和(c)一個(gè)或多個(gè)氣流控制隔板，其布置在壓力容器內(nèi)部，用于改變?nèi)萜鲀?nèi)氣流方向。
文檔編號(hào)B01D53/22GK1876220SQ20061000401
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月3日
發(fā)明者M·J·霍姆斯, T·R·奧爾恩, C·M·-P·陳 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司, 索夫科－伊夫斯控股有限責(zé)任公司