化学成环制造技术

本发明专利技术涉及使用具有可变的非化学计量程度的非化学计量材料进行化学成环的方法。这些方法的一种应用是在用于H2产生的水煤气变换反应中。本发明专利技术的方法可以克服限制，例如与化学平衡有关的限制，这些限制阻止化学过程继续进行将起始材料完全转化成产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】化学成环本专利技术涉及使用具有可变的非化学计量程度的非化学计量材料进行化学成环的方法。这些方法的一种应用是在用于H2产生的水煤气变换反应中。本专利技术的方法可以克服限制(limitation)，例如与化学平衡有关的限制，这些限制阻止化学过程继续进行将起始材料完全转化成产物。背景许多重要的化学反应本质上是可逆的。此类化学反应的进展从根本上受化学平衡所限制，化学平衡在反应物被混合并且允许反应时被确立。平衡限制导致反应物的不完全转化，需要复杂的分离工艺和未使用的反应物的再循环。一种此类可逆的反应是水煤气变换反应(WGS)，借此一氧化碳(CO)与水(H2O)反应以产生氢气(H2)和二氧化碳(CO2)。此反应在H2产生工艺中是重要的，并且通常从例如在约800℃或更高的温度进行的烃蒸汽重整工艺获取水和含CO的进料流。WGS反应的可逆的放热性质意味着复杂的多步骤工艺对于H2产生是需要的。通常，最终通过变压吸附来分离H2和CO2。虽然低温重整或低温变换可以是可行的，但在动力学上有利的高温增加转化率的创新工艺已经聚焦于原位除去反应产物中的一种的方法。此类方法已经包括采用钯膜(palladiummembrane)用于H2分离以及应用所谓的增强的WGS工艺以通过形成碳酸钙来除去CO2。化学成环(CL)是动态过程，其中材料例如金属氧化物(其充当氧载体材料(oxygencarriermaterial)或OCM)被用于提供元素例如氧，以用于在材料自身经历还原期间反应(见‘Chemicalloopingandoxygenpermeableceramicmembranesforhydrogenproduction–areview’；Thursfield等人；EnergyEnviron.Sci.,2012,5,7421-59)。然后，将还原的氧化物或金属在第二反应器中或在第二步中再氧化，如果使用固定床。结果是，CL工艺通过使用自身能够经历氧化和还原的固相材料将总工艺物理地(或暂时地)分成其单独的氧化步骤和还原步骤。CL先前已经被应用于能量转化工艺、重整工艺和WGS工艺。重要地，进料至CL工艺的氧化流和还原流从不彼此混合，并且因此进行‘未混合的’反应。逆流化学成环(reverseflowchemicallooping)是氧化气体和还原气体以相反的方向通过反应器的地方。特别地，已经使用氧化铁作为OCM进行逆流化学成环水煤气变换反应(Thermodynamicanalysisofacyclicwatergas-shiftreactor(CWGSR)forhydrogenproduction’；Heidebrecht等人；ChemicalEngineeringScience,2009,64,5057-5065)。非化学计量材料已经用于化学成环水煤气变换反应(‘Achemicalloopingprocessforhydrogenproductionusingiron-containingperovskites’；Murugan等人；EnergyEnviron.Sci.；2011,4,4639-4649)。公开内容简述根据本专利技术，提供了进行化学反应的方法，所述反应包括将元素或基团X从一种化学物质转移至另一种化学物质，该方法循序地包括：A)使化学物质P通过固定床反应器，化学物质P从固定床反应器的第一位置流动至固定床反应器的第二位置，并且从固定床反应器的第二位置提取产生的化学物质PXy；以及然后B)使化学物质QXz通过固定床反应器，化学物质QXz从固定床反应器的第二位置流动至固定床反应器的第一位置，并且从固定床反应器的第一位置提取所产生的化学物质Q；C)任选地按顺序重复步骤A)和步骤B)至少一次；其中P和Q是化学物质，所述化学物质被选择为使得P和Q两者均可以接受元素或基团X，并且PXy和QXz两者均可以供给元素或基团X；y和z是整数；并且其中固定床反应器包括至少一种具有式MnXp(1-q)的非化学计量材料，其中n和p是M和X之间化学计量键合所需的整数，并且0<q<1或0>q>-1；其中材料能够采用一系列的q值；并且其中M可以代表单种元素或多于一种元素的混合物。可变非化学计量材料应当具有在反应条件下供给和接受元素或基团X的能力。本专利技术的非化学计量的氧化物通常将具有运输元素或基团X的能力。因此，元素或基团X的离子必须能够扩散到材料中。M可以代表单种金属元素或多于一种金属元素的混合物。本专利技术人已经发现，当使用具有可变非化学计量材料的固定床的逆流化学成环系统进行可逆反应时，可以产生大体上纯的产物流，这避免对耗能的、分离平衡混合物的费用高的工艺的需求。不希望被理论所束缚，据信在步骤A)和步骤B)两者期间，跨过固定床产生梯度，梯度处于非化学计量材料接受或供给X的势能(potential)。梯度因此可以被描述为化学势梯度。因此，在步骤A)之后，固定床反应器的第一位置具有最高的X接受势能，并且固定床反应器的第二位置具有最低的X接受势能。在步骤B)中，当QXz的流在第二位置处暴露于低的接受势能时，仅少量的X由非化学计量材料接受，但是当Q和QXz的混合物向上通过势能梯度时，平衡被进一步朝向Q驱动，直到在第一位置处，具有相对较少QXz的混合物暴露于最高的X接受势能，这有效地驱动反应朝向完成。在步骤B)之后，固定床反应器的第一位置具有最低的X供给势能，并且固定床反应器的第二位置具有最高的X供给势能。在步骤A)中，当P的流在第一位置处暴露于低的供给势能时，仅少量的X由化学计量材料供给，但是当P和PXy的混合物向上通过势能梯度时，平衡被进一步朝向PXy驱动，直到在第二位置处，具有相对较少P的混合物暴露于最高的X供给势能，这有效地驱动反应至完成。因此，本专利技术的工艺可以克服平衡限制并且允许反应继续进行将起始材料大体上完全转化成产物。因此，产物PXy和Q分别在步骤A)和步骤B)两者中以高纯度产生。在不使用逆流和可变非化学计量材料两者的化学成环工艺中，将需要大量过量的P，以便获得QXz至Q的良好转化。仅少量的该P将被转化成PXy并且因此获得高纯度的Q，大部分的P保持未反应。因此，在现有技术工艺中，一种反应的转移转化率(P转化成PXy或QXZ转化成Q)是非常低的，并且其他反应的产物的纯度是高的，或一种反应的转移转化率是良好的，但其他反应的产物的纯度是低的，并且随后的分离步骤是必要的。在本专利技术的工艺中，P至PXy的反应和QXz至Q的反应两者均以高水平的转化率进行。因此，对于反应的过程，X转移反应的转化率和产物的纯度两者均是高的。因此，可能的是，大于50％的QXz和P两者分别被转化成Q和PXy。可能的是，大于75％的QXz和P两者分别被转化成Q和PXy，或大于90％的QXz和P两者分别被转化成Q和PXy。通常，固定床反应器的第一位置将是固定床反应器的第一端部，并且第二位置可以是第二端部。在本专利技术的范围内的是，固定床反应器是圆形的，或呈堆叠(stack)的形式或呈可能不被认为具有端部(end)的其他形式。固定床反应器通常将包括壳体。因此，气体通常通过壳体中的第一端口(port)和第二端口被供应至固定床反应器并且从固定床反应器中提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种进行化学反应的方法，所述反应包括将元素或基团X从一种化学物质转移至另一种化学物质，所述方法循序地包括：A)使化学物质P通过固定床反应器，所述化学物质P从所述固定床反应器的第一位置流动至所述固定床反应器的第二位置，并且从所述固定床反应器的所述第二位置提取所产生的化学物质PXy；以及然后B)使化学物质QXz通过所述固定床反应器，所述化学物质QXz从所述固定床反应器的所述第二位置流动至所述固定床反应器的所述第一位置，并且从所述固定床反应器的所述第一位置提取所产生的化学物质Q；C)任选地按顺序重复步骤A)和步骤B)至少一次；其中P和Q是化学物质，所述化学物质被选择为使得P和Q两者均能够接受所述元素或基团X，并且PXy和QXz两者均能够供给所述元素或基团X；y和z是整数；并且其中所述固定床反应器包括至少一种具有式MnXp(1‑q)的非化学计量材料，其中n和p是M和X之间化学计量键合所需的整数，并且0<q<1或0>q>‑1；其中所述材料能够采用一系列的q值；并且其中M可以代表单种元素或多于一种元素的混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.07 GB 1511855.71.一种进行化学反应的方法，所述反应包括将元素或基团X从一种化学物质转移至另一种化学物质，所述方法循序地包括：A)使化学物质P通过固定床反应器，所述化学物质P从所述固定床反应器的第一位置流动至所述固定床反应器的第二位置，并且从所述固定床反应器的所述第二位置提取所产生的化学物质PXy；以及然后B)使化学物质QXz通过所述固定床反应器，所述化学物质QXz从所述固定床反应器的所述第二位置流动至所述固定床反应器的所述第一位置，并且从所述固定床反应器的所述第一位置提取所产生的化学物质Q；C)任选地按顺序重复步骤A)和步骤B)至少一次；其中P和Q是化学物质，所述化学物质被选择为使得P和Q两者均能够接受所述元素或基团X，并且PXy和QXz两者均能够供给所述元素或基团X；y和z是整数；并且其中所述固定床反应器包括至少一种具有式MnXp(1-q)的非化学计量材料，其中n和p是M和X之间化学计量键合所需的整数，并且0&lt;q&lt;1或0&gt;q&gt;-1；其中所述材料能够采用一系列的q值；并且其中M可以代表单种元素或多于一种元素的混合物。2.如权利要求1所述的方法，其中大于50％的QXz和P两者分别被转化成Q和PXy。3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述非化学计量材料是固体。4.如任一前述权利要求所述的方法，其中P作为与其他组分的混合物在步骤A)中通过所述反应器。5.如任一前述权利要求所述的方法，其中QXz作为与其他组分的混合物在步骤B)中通过所述反应器。6.如任一前述权利要求所述的方法，其中P、PXy、Q和QXz在所述反应的温度范围内全部是气体。7.如任一前述权利要求所...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩·梅特卡夫，
申请(专利权)人：泰恩河畔纽卡斯尔大学，
类型：发明
国别省市：英国,GB