[发明专利]平面陶瓷片组件及其制备方法、载体层组件及其制备方法、烃氧化方法和陶瓷膜叠层

说明书

本申请是申请号为200410030134.4母案的分案申请。该母案的 申请日为2004年3月19日；发明名称为“平面陶瓷膜组件以及氧化 反应器体系”。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明按Air Products and Chemicals，Inc.与美国能源部之 间的合同No.DF-FC26-97FT96052在政府支持秀进行。美国政府对本 发明拥有一些权利。

技术领域

本发明涉及包含混合-传导多组分金属氧化物材料致密层、混合- 传导多金属氧化物材料多孔层和陶瓷通道载体层的平面陶瓷膜组件。 本发明还涉及该组件的制备方法及其用于烃氧化的方法。

背景技术

借助在高温下操作的混合-传导陶瓷膜可从含氧气体中分离出 氧，其中，所述膜不仅传导氧离子而且传导电子。氧气在膜的渗透侧 产生并且可以高纯度的产品回收。另外，渗透的氧能够催化或非催化 地直接与含烃气体反应，从而得到烃氧化产物。可使用各种各样的含 氧气体，如空气，并且许多可供选择的烃氧化产物均是可能的，这取 决于操作条件以及是否使用催化剂。

利用混合-导电陶瓷膜反应器系统，在由天然气和空气生产合成 气体中有明显且不断增长的商业利益。目前，该技术尚处于开发阶段， 当该技术成熟时在将来其商业应用是可以想象的。通过甲烷的部分氧 化以形成合成气体组分CO、H₂、CO₂和H₂O，混合-导电陶瓷膜反应器 系统将生产出合成气体。通过将含甲烷的原料气体和空气原料气体引 入膜反应器体系中，使膜的一个表面与甲烷接触，然后使另一表面与 空气接触而进行该方法。氧气渗透通过所述膜，甲烷与渗透的氧反应 形成甲烷/合成气体混合物，并且，当混合物传送通过反应器并与另 外的渗透氧进行反应时，甲烷将进一步转化成合成气体。

如果甲烷/合成气流处于高压，通常为250-400psig，那么，该 方法能够有利地将上、下游的方法结合。另外，如果空气处于低压， 通常低于50psig的话，工艺经济学是最有利的。因此，膜反应器体 系中的膜必须设计成经得起空气侧和甲烷/合成气体侧之间明显的压 差。为了取得通过膜的高氧通量，所述膜的活性分离层应当很薄，通 常低于200微米。然而，该厚度的独立膜不能承受典型的200-400psid 的压差，因此，薄分离层必须以某种方式在结构上被支撑。

在本领域中已描述了能够经得起高压差、用于陶瓷氧-传导薄膜 系统的各种各样的设计。例如，管状陶瓷膜能够在一侧经受高压甲烷， 并在另一侧经受低压空气；但所述膜必须具有足够的壁厚，以能承受 压差；因此，该膜不能取得高氧通量。为解决该问题，业已开发出复 合管状膜，其在较厚的多孔载体上结合了薄且致密的氧渗透层。

现有技术中已描述了平板膜结构，其中，活性分离层通过膜低压 侧上的一层或多层多孔层支撑，其通常是所述膜的渗透侧。通常对这 些薄膜系统进行设计，以便在渗透侧产生纯氧产品。如果通过膜低压 侧上的低压空气使用这些膜的话，在膜低压侧上的多孔载体层对于将 氧从氧化剂或空气中传送至致密分离层的表面上产生气相扩散阻力。 具有足够厚度以便为薄膜活性分离层提供支持的多孔层对将氧传送 到膜表面上引入扩散阻力，并且该阻力将降低通过膜的氧通量。因此， 对于在高压差下使用薄活性膜而没有不可接受的对薄膜氧化剂一侧 的高气相扩散阻力的复合膜设计存在着需求。