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技术

本发明专利技术涉及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。所述陶瓷片组件中使用了一种平面陶瓷膜组件，其包含混合－传导多组分金属氧化物材料致密层其中，致密层具有第一面和第二面，与致密层的第一面接触的混合－传导多组分金属氧化物材料多孔层，与致密层的第二面接触的陶瓷通道载体层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含混合-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。 本专利技术还涉及该组件的制备方法及其用于烃氧化的方法。
技术介绍
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予而且传导电子。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C0、 H2、 C02和H20，混合-导电陶瓷膜反应器 系统将生产出合成气体。通过将舍曱烷的原料气体和空气原料气体引 入膜反应器体系中，使膜的一个表面与曱烷接触，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 形成曱烷/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，曱烷将进一步转化成合成气体。如果曱烷/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，膜反应器体差。为了^得通过膜的i^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曱烷， 并在另一侧经受低压空气；但所逸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側 的高气相扩散阻力的复合膜设计存在着需求。多孔材料与致密材料相比具有更低的机械强度。在膜低压侧上使 用多孔载体的膜结构使多孔载体经受压应力。如果压差足够高的话， 该应力可以超过多孔载体层的压碎强度，从而使栽体层破坏并使薄的 活性层泄漏或者破坏。多孔层的强度随所述层材料的孔隙率而改变， 较低孔隙率的材料通常比较高孔隙率的材料强度更大。令人遗憾的 是，低孔隙率、高强度的材料其渗透性比高孔隙率、低强度的材料更 差，因此，增加多孔载体层的强度将增加所述层的气相扩散阻力。多 孔载体材料中强度和渗透性之间的折衷使之难以设计出能够耐得住 高压差以及所产生的高压应力的复合膜。因此，要求避免将多孔层放 置在高压应力下的膜设计。输送通过致密的氧-传导性陶瓷膜的氧是 热激活的。这意味着，在没有任何其它传质阻力的情况下，通过膜的 氧通量将随温度成指数地增加。当致密的氧-传导膜用于膜反应器体系中，以进行放热反应如烃氧化时，热激活的氧输送将在膜上造成局 部过热点。在膜上的薄弱点相对于膜上较厚的周围地区将遭遇更高的 氧通量，并且，随着氧化速度的增加，相对于其周围地区，在该薄弱 点处，膜将变热。这将进一步增加通量，由此进一步增加该点处的温 度。这些局部温度梯度将产生对膜的机械完整性有害的、不希望的热 应力。在陶瓷膜反应器领域，需要既能够承受高压差，同时还能够防止 出现局部过热点的膜结构。特别是，需要烃部分氧化反应器膜设计， 其能够使用在大压差下操作的、薄的氧-渗透膜，而不会有由于局部 高氧扩散速率和高放热氧化速率所造成的过热点。该需求借助如下所 述且由后面的权利要求所限定的本专利技术得以满足。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方案涉及平面陶瓷膜组件，其包含混合-传导 多组分金属氧化物材料致密层，其中所述致密层具有第一面和第二 面，与致密层的第 一面接触的混合-传导多组分金属氧化物材料多孔 层，和与致密层的第二面接触的陶瓷通道栽体层。致密层和多孔层可 以由相同成分的多组分金属氧化物材料组成。致密层、通道载体层和 多孔层可以由相同成分的多组分金属氧化物材料组成。在平面陶瓷膜组件中，混合-传导多组分金属氧化物材料可以包含一种或多种具有下式的组分(LaxCai-x)yFe03-6,其中1.0〉x〉0.5, 1. l>y>l. 0，并且5为使物质电荷呈中性的成分的数。多孔层的孔隙 率在大约10%和大约40%之间，并且曲率在约3-10之间。多孔层可以包含一种或多种催化剂，所述催化剂包括选自柏、钯、 铑、钌、铱、金、镍、钴、铜、钾及其混合物的金属，或者包含所述 金属的化合物。本专利技术的另一实施方案包括平面陶瓷片组件，包含(a) 具有第一面和第二面的平面陶瓷通道的栽体层；(b) 具有内侧和外侧的混合-传导多组分金属氧化物材料的第一 致密层，其中内侧部分与陶瓷通道的载体层的第一面接触；(c) 包含多孔混合-传导多组分金属氧化物材料且具有内侧和外 侧的第一外载体层，其中内侧与第一致密层的外侧接触，(d) 具有内侧和外侧的混合-传导多组分金属氧化物材料的第二ii致密层，其中内侧部分与陶瓷通道的载体层的第二面接触；和(e)包含多孔混合-传导多组分金属氧化物材料且具有内侧和外侧的第二外载体层，其中内侧与第二致密层的外侧接触。当从第一外载体层的外侧至第二外载体层的外侧进行测量时，片状组件的厚度可以在约2-8毫米之间。第一和第二外载体层各层的厚度可以在约50微米和约1毫米之间。第一和第二致密层各层的厚度可以在约10-500微米之间。平面陶资通道的载体层的厚度可以在约100-2000孩t米之间。本专利技术的一个实施方案包括平面陶瓷片组件，包含(a) 具有第一面、第二面、周边、以及许多流道，所述流道在第一和第二面之间延伸通过通道的载体层并且在周边内的第一区域内延伸至周边内第二区域，其中，流道使第一区域和第二区域气流连通；(b) 具有内侧和外侧的、混合-传导多組分金属氧化物材料的第一致密层，其中内侧与陶瓷通道层的第一面接触；(c) 包含多孔陶瓷材料的第一外栽体层，该层具有内侧、外侧、和周边，其中内侧与第一致密层的外侧接触，(d) 具有内侧和外侧的、混合-传导多组分金属氧化物材料的第二致密层，其中内侧与陶瓷通道层的第二面接触；(e) 包含多孔陶瓷材料的第二外载体层，该层具有内侧、外侧、和周边，其中，内侧与第二致密层的外侧接触；(f) 由(a)至(e)限定的、从层状组件的第一面至第二面延伸通过层状组件的第一开口，其中，第一面由第一外栽体层的外侧限定，而第二面由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面陶瓷片组件，包含：　（ａ）具有第一面和第二面的平面陶瓷通道载体层；　（ｂ）具有内侧和外侧的混合－传导多组分金属氧化物材料的第一致密层，其中，内侧部分与陶瓷通道载体层的第一面接触；　（ｃ）包含多孔混合－传导多组分金属 氧化物材料且具有内侧和外侧的第一外载体层，其中，内侧部分与第一致密层的外侧接触；　（ｄ）具有内侧和外侧的混合－传导多组分金属氧化物材料的第二致密层，其中，内侧部分与陶瓷通道载体层的第二面接触；和　（ｅ）包含多孔混合－传导多组分金 属氧化物材料且具有内侧和外侧的第二外载体层，其中，内侧部分与第二致密层的外侧接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MF卡罗兰，PN德耶，MA威尔逊，TR奥赫恩，KE克奈德，D彼得森，CM陈，KG拉克斯，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]