用于氧化能够与氧反应的气体的电化学方法技术

用于氧化能够与氧反应的气体的电化学方法，包括：（Ａ）提供一个电化学反应器电池，其第一区和第二区由包括下列部分的元件分隔开：（１）固体多组分膜，和（２）导电涂层、催化剂，或含有催化剂的导电涂层；（Ｂ）将电化学电池加热至约３００℃－约１４００℃的温度；（Ｃ）使含氧气体在第一区通过、与所述膜接触，和（Ｄ）使能够与氧反应的气体在第二区通过、与所述膜接触。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是本申请人1990年12月24日提交的91100737.7号专利技术专利申请的分案申请，原申请题为“固体多组分膜、电化学反应器元件、电化学反应器和膜、反应器元件以及反应器在氧化反应中的使用”。本专利申请是下列美国专利申请的接续申请日为1989年12月27日，申请号为07/457,327的申请；申请日为1989年12月27日，申请号为07/457,340的申请，该申请则为1987年3月13日，申请号为07/25,511，并于1990年6月12日公布的专利号为US4933054的美国专利申请的接续；申请日为1989年12月27日，申请号为07/457,384的申请；和申请日为1990年4月16日，申请号为07/510296的申请，该申请则是申请日为1989年5月25日，申请号为07/357,317(现已放弃)的申请的接续，这些申请已被引用在本专利技术中。本专利技术涉及便于氧的转移的电化学反应器，本专利技术的特别涉及氧半透膜，用于包括氧半透膜的电化学反应器的元件，电化学反应器、和它包括氧半透膜和任选的催化剂的反应器元件，以及电化学工艺，该工艺使用氧半透膜和任选的催化剂使得电化学工艺易于进行，该工艺利用氧转移使其从含氧气体转移至耗氧气体。合成气主要由氢气和一氧化碳组成。通常，H2/CO摩尔比约在0.6至6之间。用部分氧化法使用轻质烃例如甲烷和天然气生产合成气的方法是已知的。本专利技术描述了一种具有固体多组分膜的电化学反应器，这便于轻质烃电催化转化为合成气。许多出版物描述了完全将甲烷氧化为二氧化碳和水的燃料电池。这些燃料电池并非用来进行化学过程的，而是用于由燃料气和空气(或氧气)发电的。将燃料电池中进行的过程用于完全燃烧而不是部分燃烧，并且该过程需要一个完整的外部电路使燃料气进行氧化。本专利技术电化学反应器的其他用途包括烃类部分氧化形成烯烃、乙烷的部分氧化、芳族化合物的取代，从一种或多种含氧气体例如SO2SO3、N2O、NO、NO2、水蒸汽、CO2中萃取氧、甲烷的氨解氧化，等等。饱和有机化合物转化为不饱和化合物的脱氢工艺是已知的。为了提高所要产品的转化率和选择性，近几年已经进行了不懈的努力以改进上述工艺，本专利技术描述了一种饱和烃脱氢的连续工艺。例如乙烷脱氢成为乙烯和乙炔，丙烷脱氢成为丙烯和丙炔。在本专利技术工艺中，水是副产品，并可以发电。工业用的乙烷脱氢方法，它是一个有限热反应的平衡，必须依靠使用高的反应温度，才能获得比较好的乙烯的单程产量。由于需要高温，裂化和焦化反应速率是高的，足以对产品的选择性产生有害影响。惯用的氧化脱氢方法，它本身不是有限的平衡，它在高的乙烷转化率时也具有差的产品选择性的缺点。本专利技术克服了已有技术的方法的固有缺点，以便达到高的不饱和烃的转化率的同时，裂化和焦化的竞相反应速率是低的。芳族化合物的取代方法也是已知的，为了提高所要产品的转化率和选择性，近几年已经进行了不懈的努力。本专利技术描述了一种芳族化合物的取代的连续的方法，例如，用第二含氢化合物取代苯。在本专利技术的方法中，水是副产品，并且能发电。众所周知，从一个固定或移动的源例如电厂、汽车、船、火车等产生的气流中例如硫和氮的氧化物是有害污染物。也已经知道氧化硫与水蒸汽结合形成高度腐蚀性的蒸汽，它能刺激眼睛和粘膜，损坏含金属的构件，并且由于下酸雨而可以对植物造成环境危害。氮的氧化物是有毒的刺激物，并且它也能破坏环境。硫化羰(COS)是另一种有毒的污染物，它是由在废气中含硫化合物和一氧化碳反应形成的产物。向大气中排放这些污染物的条件已经变得极为严格。本专利技术描述了一种从气流中除去硫和氮的氧化物的电催化方法和电化学电池，它使用燃料气的化学驱动力。在此描述了一种用于本专利技术方法的固体多组分膜。该固体多组分膜通常包括一个传导电子的相和一个传导氧离子的相的紧密不可透过气体的多相混合物，和/或不透过气体的“单相”混合金属氧化物，该氧化物具有钙钛矿结构并具有传导电子和氧离子的特性。在此还描述了用于电化学反应器的固体多组分膜，所述反应器包括上述的多相混合物和/或上述的混合金属氧化物，所提供的混合金属氧化物由下式表示AsAt＇BuBv＇Bw″Ox其中A代表一种镧系元素或钇，或其混合物；A＇代表一种碱土金属，或其混合物；B代表Fe；B＇代表Cr或Ti，或其混合物；并且B″代表Mn、Co、V、Ni或Cu，或其混合物，并且s、t、u、v、w和x均代表其数量，使得s/t约等于0.01～100；u约等于0.01～1；v约等于0.01～1w约等于0～1x等于能满足式中A、A＇、B、B＇和B″的化合价所需要的量，并且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1在此描述用于本专利技术方法的一个元件，该元件具有一能将氧还原为氧离子的第一表面，一个能使氧离子与耗氧气体反应的第二表面，一个在第一和第二表面之间的传导电子的通道，和一个在第一和第二表面之间的传导氧离子的通道。该元件也包括(1)一种多孔基层，(2)一种传导电子的金属、金属氧化物或其混合物和/或(3)一种催化剂。多孔基层(1)、导电覆盖层(2)和/或催化剂(3)可作为分开使用的材料或起到多孔基层(1)的作用；导电覆盖层(2)和/或催化剂(3)可结合在一种或两种材料中。在此描述用于电化学反应器的作了上述限定的元件，该元件包括(1)一种催化剂，例如在其一个表面的硫还原催化剂，或(2)(A)一种固体多组分膜，该膜的特点在于，(1)一种传导电子的相和一个传导氧离子的相的紧密的不透过气体的多相混合物或(2)一种具有钙钛矿结构的混合金属氧化物材料，和(B)一个导电覆盖层、一种催化剂、或一种包括一种催化剂的导电覆盖层。也描述了一种用于从任何含氧气体向任何耗氧气体转移氧的电化学反应器电池，它通常包括上述元件，该元件具有一个进口端，一个出口端和一个位于两者之间用于将一种或多种气体从进口端向出口端移动的通道。在一实施方案中，在进口端和出口端之间的通道可以任意具有一种催化剂，例如装填在反应器电池进口端和出口端之间的通路中的不连续的颗粒或纤维催化剂。这种电化学反应器电池被装在下述的环境中该环境在一侧含有含氧气体而在另一侧含有耗氧气体，并且其温度和浓度是处于适合于相应气体反应的条件下。也描述了一种用于使一种耗氧气体与一种含氧气体反应的电化学反应器，它包括一个壳体，该壳体具有一个进口端、一个出口端和一个在两者之间用于使一种或多种气体从进口端向出口端移动的通道，和至少一个位于所述壳体内的所述的反应器电池，使得该壳体和反应器电池共同形成一个用于引入、反应、排出一种第一种气体或气体混合物的第一区域和一个第二区域(即上述的反应器电池通道)，所述第二区域位于反应器电池中，并通过反应器电池与第一区域相分开，第二区域用于引入、反应、排出一种第二种气体或气体混合物。在一实施方案中，第一区域和/或第二区域可以任意包括一种催化剂，例如装填在壳体和反应器电池外表面之间或在反应器电池内的通道中的不连续的颗粒或纤维状催化剂。在本专利技术范围内进一步包括一种氧化反应气体的电化学方法。术语“反应气体”在此被定义为能与氧或氧离子反应的气体。本专利技术的一个方面是一种将甲烷、天然气或轻质烃氧化为不饱和烃或合成气的电化学方法。该电化学方法通常包括(A)提供一个电化学电池，它包括一个第一区域和一个第二区域，该第二区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于氧化能够与氧反应的气体的电化学方法，其特征在于 （Ａ）提供一个电化学反应器电池，它包括第一区和第二区，两区由包括下列部分的元件分隔开： （１）固体多组分膜，其特征在于 （ａ）导电子相和导氧离子相的紧密、不透气的多相混合物，或 （ｂ）具有钙钛矿结构的混合金属氧化物材料，和 （２）导电涂层、催化剂，或含有催化剂的导电涂层， （Ｂ）将电化学电池加热至约３００℃－约１４００℃的温度， （Ｃ）使含氧气体在第一区通过、与所述膜接触，和 （Ｄ）使能够与氧反应的气体在第二区通过、与所述膜接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：特里J马赞内克，托马斯L凯布尔，小约翰G弗赖伊，韦恩R克利韦，
申请(专利权)人：标准石油公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]