陶瓷氧输送膜片阵列重整反应器的制作方法

本发明是在美国能源部授予的合作协议号DE-FC26-07NT43088的政府资助下作出的。政府对本发明有一定权利。

技术领域

本发明提供了一种用于由引入基于氧输送膜片的重整反应器中的含烃气态进料生产合成气的方法及设备，重整反应器包括陶瓷氧输送膜片管和含催化剂的重整管。更具体而言，本发明提供了一种基于模块化的基于氧输送膜片的重整反应器，其具有高度的热耦合和填充密度以优化反应器的每单位容积的合成气生产。

背景技术：

含有氢和一氧化碳的合成气生产用于多种工业应用，例如，氢的生产、化学制品和合成燃料生产。通常，合成气在焚烧重整器中生产，其中天然气和蒸汽在含镍催化剂的重整器管中在高温(900到1,000℃)和中压(16到20bar)下重整以生产合成气。发生在重整器管内的对于蒸汽甲烷重整反应的吸热要求由在熔炉中焚烧的焚烧器提供，焚烧器由部分天然气供燃料。为了增加由蒸汽甲烷重整(SMR)工艺产生的合成气的氢含量，合成气可经历水-煤气转变反应，以使合成气中的剩余蒸汽与一氧化碳反应。

蒸汽甲烷重整的已经确立的备选方案是部分氧化工艺(POx)，由此允许有限量的氧与天然气进料焚烧来产生高温下的蒸汽和二氧化碳，且高温蒸汽和二氧化碳经历随后的重整反应。

SMR和POx两种工艺的关键缺点在于大量碳作为低压烟道气体中的二氧化碳气体排放到大气中。此外，通过常规SMR或POx工艺产生合成气被认为是较为昂贵的工艺。

用于产生合成气的有吸引力的备选工艺为焚烧氧的自热重整器(ATR)工艺，其使用氧来在反应器内部部分地氧化天然气，反应器将几乎所有碳保留在高压合成气中，因此便于除去二氧化碳来捕集碳。然而，ATR工艺需要单独的空气分离单元(ASU)来生产高纯度的高压氧，这对整个工艺增加了复杂性和资金和运营成本。

如可认识到那样，生产合成气的常规方法如SMR、POx或ATR系统昂贵，且需要复杂的安装。为了克服此类设备的复杂性和花费，提出了在使用氧输送膜片以供应氧的反应器内生成合成气，且因此生成支持蒸汽甲烷重整反应的吸热要求所需的热。典型的氧输送膜片具有致密层，其尽管不可透过空气或其它含氧气体，但在经历升高的操作温度和穿过膜片的氧局部压差时将输送氧离子。

用于合成气生产的基于氧输送膜片的重整反应器的实例在美国专利号6,048,472; 6,110,979; 6,114,400; 6,296,686; 7,261,751; 8,262,755; 和8,419,827中找到。所有这些基于氧输送膜片的系统的问题在于，由于此氧输送膜片需要在大约900℃到1100℃的高温下操作，故通常需要将烃进料预热至类似的高温。在烃如甲烷和更高阶的烃经历此高温的情况下，过量的碳形成将在进料流中发生，尤其是在高温和低蒸汽与碳之比下。碳形成问题在上文提到的现有技术的基于氧输送膜片的系统中特别严重。一种在合成气的生产中使用基于氧输送膜片的重整反应器的不同途径在美国专利号8,349,214和美国专利申请序列第2013/0009102号中公开，两个专利公开了反应驱动的基于氧输送膜片的重整系统，其使用氢和一氧化碳作为反应气体进料的一部分，这解决了较早的氧输送膜片系统中的许多突出问题。现有技术的基于氧输送膜片的重整系统中出现的其它问题在于氧输送膜片模块的成本和复杂性和此类基于氧输送膜片的重整系统的低于预期的热耦合、持久性、可靠性和可操作性。这些问题是基于氧输送膜片的重整系统未在商业上成功的主要原因。氧输送膜片材料中的最近发展解决了与氧流量、膜片退化和蠕变寿命相关联的问题，但从成本观点和从操作可靠性和可用性的观点，实现商业上可行的基于氧输送膜片的重整系统仍需要进行很多工作。

使用热耦合的单独的氧输送膜片和催化重整反应器的工艺设计具有其自身的一组挑战。例如，氧输送膜片构造成执行若干任务如将氧与空气分离、使透过的氧与反应物流反应来产生支持催化重整反应器中的吸热反应所需的含水蒸气的反应物流，以及传递热来驱动催化重整反应器中的吸热反应以实现合成气的期望产量。支持催化反应器内的吸热反应的热主要由从氧输送膜片反应器中的透过的氧的燃烧释放的热的辐射热传递提供。在升高温度下，氧输送膜片在正常稳态操作和瞬变操作如启动、停机以及混乱状态期间经历较大的机械应力，特别是在温度或温度变化率可能在可接受范围外时的不利水平下。因此，氧输送膜片反应器中释放的放热到催化重整反应器的低效传递将导致不太有效的操作、较高的资金成本和更复杂的系统。

因此，对于合成气生成系统存在的持续需要在于具有高度的热集成效率、较高的热传递表面面积和较高的填充密度，以优化反应器的每单位容积的合成气生产。本发明通过提供商业上可行的模块化陶瓷氧输送膜片组件来解决上述问题，该组件改善合成气生产系统的可维护性和可制造性，更重要的是，改善了有效且高效产生合成气所需的反应驱动的氧输送膜片管和催化剂重整管的热耦合。

技术实现要素：

在一个或多个方面中，本发明可特征为用于将辐射热传递到多个催化重整反应器的氧输送膜片面板，氧输送膜片面板包括面板框架或支承结构，以及面板框架内或附接到面板框架上的多个氧输送膜片重复单元，其中氧输送膜片重复单元以紧密填充的线性或共面定向布置。各个氧输送膜片重复单元包括在一端处联接在一起的两个或多个氧输送膜片管，以形成多次通过布置，且管的另一端构造成与进料歧管或排出歧管流体连通。此外，各个氧输送膜片管具有位于管的内表面上的渗透物侧和位于管的外表面上的渗余物侧。

氧输送膜片面板构造成使氧与接触以横向流(cross-flow)布置的管的渗余物侧的含氧流分离，且使透过的氧与引入管的渗透物侧的含氢和含碳类的气流反应，从而产生辐射热和含蒸汽的反应产物流。催化重整反应器以并列关系放置，且更优选地，相对于氧输送膜片成平行或大致平行的定向放置。催化重整反应器构造成从存在有辐射热和含烃反应物流产生合成气，反应物流包含来自氧输送膜片面板的反应产物流。将热辐射至催化重整反应器的氧输送膜片面板之间的视角系数优选大于或等于大约0.4，而催化重整反应器与将热辐射至催化重整反应器的氧输送膜片面板之间的表面面积比为从大约0.4到大约1.0，在另一个实施例中，从大约0.5到大约1.0。

本发明还可特征为催化重整面板，其用于在有从多个反应驱动的氧输送膜片元件接收到的辐射热和蒸汽存在的情况下由含烃反应物进料流产生合成气。在此方面，催化重整面板包括面板框架或支承结构，以及面板框架或支承结构内或附接到其上的多个重整重复单元，且其中重整重复单元以紧密填充的线性或共面定向布置。各个重整重复单元包含与进料歧管或排出歧管流体连通的至少一个多次通过的重整管，且各个多次通过的重整管包含蒸汽重整催化剂，其构造成在有辐射热和蒸汽存在的情况下由含烃反应物进料流产生合成气。催化重整面板优选以并列关系放置，且更优选是相对于氧输送膜片元件成平行或大致平行的定向放置，其中将热辐射至催化重整面板的氧输送膜片元件之间的视角系数大于或等于大约0.4。在一个实施例中，催化重整面板与将热辐射至催化重整反应器的氧输送膜片元件之间的表面面积比为从大约0.5到大约1.0。

本发明还可特征为一种氧输送膜片阵列模块，其包括：(i)框架或支承结构；(ii)定向在框架内和/或附接到其上的一个或多个氧输送膜片面板，各个面板均包括以紧密填充的线性或共面定向布置的多个氧输送膜片重复单元，其中各个氧输送膜片重复单元包含在一端处联接在一起的两个或多个氧输送膜片管，以形成多次通过的布置，且管的另一端构造成与第一进料歧管或第一排出歧管流体连通；以及(iii)以相对于一个或多个氧输送膜片面板的并列定向来定向在框架内和/或附接到框架上的一个或多个催化重整面板，各个催化重整面板均包括以紧密填充的线性或共面定向布置的多个重整重复单元，其中各个重整重复单元包括与第二进料歧管或第二排出歧管流体连通的至少一个多次通过的重整管。催化重整面板布置在平行于或大致平行于氧输送膜片面板的平面中。各个多次通过的重整管均包含蒸汽重整催化剂，其构造成在有由氧输送膜片管产生的辐射热和蒸汽存在的情况下由含烃反应物进料流产生合成气。

最后，本发明还可特征为一种氧输送膜片隔离阀组件，包括：(i)流体地连接到氧输送膜片管的一端上的壳体，壳体具有入口端、相对的排放端，且限定其间的流动通路，其中邻近一端的壳体的一部分构造为倒角阀座；(ii)设置在壳体中与倒角阀座分开且突入流动通路中的约束阀销或结构；(iii)陶瓷阀球，其设置在倒角阀座与约束阀销或结构之间的壳体的流动通路中，且构造成抵靠约束阀销或结构，且在氧输送膜片管的正常操作期间允许气流穿过流动通路，且在氧输送膜片失效时抵靠倒角阀座和切断流动通路中的气流。

在氧输送膜片隔离阀组件的一个实施例中，倒角阀座设置成邻近壳体的出口端，且构造成切断至氧输送膜片的进料流。在氧输送膜片隔离阀组件的另一个实施例中，倒角阀座设置成邻近壳体的入口端，且构造成切断来自氧输送膜片的流出通路，且防止从流出歧管回流到氧输送膜片中。

为备选，本发明还可特征为一种用于将热辐射至多个蒸汽发生反应器或气体加热反应器的氧输送膜片面板，氧输送膜片面板包括：(i)面板框架或支承结构；以及(ii)定向在面板框架内和/或附接到面板框架上的多个氧输送膜片重复单元，且其中氧输送膜片重复单元以紧密填充的线性或共面的定向布置。各个氧输送膜片重复单元包括在一端处联接在一起的两个或多个氧输送膜片管，以形成多次通过布置，且管的另一端构造成与进料歧管或排出歧管流体连通。

此外，各个氧输送膜片管具有位于管的内表面上的渗透物侧和位于氧输送膜片管的外表面上的渗余物侧。多个氧输送膜片面板构造成使氧与接触以横向流布置的氧输送膜片管的渗余物侧的含氧流分离，且使透过的氧与引入氧输送膜片管的渗透物侧的含氢燃料或烃燃料的气流反应，从而产生辐射热和反应产物流。在结合多个蒸汽发生反应器的实施例中，蒸汽发生反应器构造成在有来自氧输送膜片面板的辐射热存在的情况下由进料水源产生蒸汽；其中多个蒸汽发生反应器包括进料水歧管、蒸汽排出歧管，以及相对于一个或多个氧输送膜片管成并列定向设置的多个蒸汽管，且多个蒸汽管与进料水歧管和蒸汽收集或排出歧管流体连通。

附图说明

本发明的以上和其它方面、特征和优点将从连同随后附图提供的以下其更详细的描述中变得更清楚，在附图中：

图1和2示出了合成气生产系统和相关的氧输送膜片技术的简图；

图3和4示出了备选合成气生产系统和相关的氧输送膜片技术的简图；

图5为氧输送膜片面板的简图；

图6A, 6B和7为氧输送膜片重复单元的两种构造的简图；

图8为催化重整面板的简图，且图9为催化重整重复单元的简图；

图10为双面板模块的简图；

图11为氧输送膜片面板歧管布置的简图；

图12A为氧输送膜片隔离阀布置的简图，而图12B为所述隔离阀的分解视图；

图13A-C为可扩展的双面板模块布置的简图；

图14为层叠的双面板模块的简图；

图15为氧输送膜片反应器组组件的简图；

图16为提供有空气分级的备选氧输送膜片反应器组组件的简图；

图17和18分别为熔炉系和多个熔炉系的简图；

图19为大规模合成气生产系统中的多个熔炉布置的简图；

图20为氧输送膜片蒸汽发生器布置的简图。

具体实施方式

反应驱动的基于氧输送膜片的重整系统

总的来说，本发明可特征为用于生产合成气的改进的基于氧输送膜片的重整反应器。相比于前文公开的基于氧输送膜片的重整系统和反应器，改进的反应器和系统提供氧输送膜片管和含催化剂的重整管的增加的热耦合，以及改善的可制造性、可维护性和可操作性。

出于描述反应驱动的基于氧输送膜片的重整反应器和系统的总体操作的目的，图1和图2示出了系统和相关氧输送膜片技术的简图。如其中可见，含氧流110如空气借助于风机或风扇114引入系统100中进入换热器113，以用于预热含氧流110。换热器113优选为设置成与含氧流110和加热的渗余物流124操作关联的高效、循环或连续旋转的再生器。加热和氧排尽的渗余物流124可选地引入导管焚烧器区域中，导管焚烧器区域包含导管焚烧器126，且用于支持补充的燃料流128的燃烧来产生引入连续地旋转的再生器113中的补充热，以预热含氧流110。作为备选，导管焚烧器还可直接设置在导管中，使换热器113预热含氧流110。来自于换热器113的排出流132被排放。

加热的含氧流115然后经由进气导管引导至结合到氧输送膜片反应器101中的氧输送膜片元件120。氧输送膜片元件120中的各个优选构造为能够在升高的操作温度下传导氧离子的多层陶瓷管，其中氧输送膜片元件120的渗余物侧为暴露于含氧流的陶瓷管的外表面，且渗透物侧为陶瓷管的内表面。尽管仅六个氧输送膜片元件120紧邻三个催化重整管140示出，但如本领域的技术人员将想到那样，各个氧输送膜片组件中可存在许多此类氧输送膜片元件和许多催化重整管。同样，将存在用于基于氧输送膜片的重整反应器101的工业应用中的多个氧输送膜片组件。

含氢流也引入氧输送膜片元件120的渗透物侧中，且经由与透过的氧反应而氧化，以产生反应产物流198和热。在一个可选的实施例中，含氢流为产生的合成气163的再循环部分。由于发生在氧输送膜片元件120的渗透物侧处的氧分离和反应(即，燃烧)，故还形成了加热的氧排尽渗余物流124。

如下文更详细所述，含氢流优选为流出催化剂重整管的加热的合成气流的一部分。优选大约25%到大约50%的加热合成气的一部分再循环至氧输送膜片管120的渗透物侧，以与氧渗透物流反应来生成加热的反应产物流和辐射热。在一个实施例中，热合成循环气体的温度高于1500℉，以便避免与金属尘化腐蚀相关联的问题。

热合成气流162借助于可操作地联接到氧输送膜片元件120的渗透物侧上的基于喷射器、排出器或文氏管的装置199驱动或吸至氧输送膜片管或元件120的渗透物侧。通过利用包括预先重整的重整器进料流195的动力流体将氧输送膜片元件120的渗透物侧处的流吸入基于喷射器、排出器或文氏管的装置199，反应产物流198与预先重整的重整器进料流195混合来产生组合的进料流200，其优选具有大约1.6到大约3.0的蒸汽与碳之比，以及大约1000℉到大约1400℉的温度。基本上，装置199将低压热合成气再循环流162移动至高压组合进料流200。

氧输送膜片元件120的渗透物侧处的含氢流或再循环合成气流163的反应产生热。连同由加热的渗余物流124提供的对流热传递的这些热的辐射加热催化反应器管140，以提供发生在催化反应器管140中的蒸汽甲烷重整的吸热加热要求。当加热的渗余物流124流出基于氧输送膜片的重整反应器101时，其还经由设置在渗余物导管中的一个或多个盘管191的间接热传递将重整器进料流138加热至从大约900℉到大约1200℉的温度，使得氧排尽的渗余物流124加热穿过盘管191的进料流。还要注意，在天然气进料182中未加入或使用的任何过热蒸汽可为可用于发电的输出蒸汽181。

待重整的含烃进料流182优选为天然气。取决于供应压力，天然气经由压缩机或阀布置(未示出)压缩或降低至期望压力，且然后在用作燃料预热器的换热器150中预热。另外，由于天然气通常含有不可接受那样高的水平的硫类，故天然气进料流182将经由装置190经历除硫工艺如加氢处理，以将硫类还原成H₂S，其随后使用材料如ZnO和/或CuO在保护床中除去。加氢处理步骤还使存在于含烃进料流中的任何烯烃饱和。此外，由于天然气大体上含有较高的烃，其将在高温下分解而形成不利地影响重整工艺的不需要的碳沉积物，故天然气进料流182优选在隔热预重整器192中预重整，预重整器192将较高的烃转变成甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳。预重整器通常为基于催化剂的系统。尽管未示出，但该预重整的重整器进料流195可经由与加热的渗余物流124间接热交换来进一步加热。还构想出但未示出的实施例中，预重整器可包括加热的预重整器，其与加热的渗余物流124或导管焚烧器下游的加热的含氧流115热耦合。

在所示系统中，上述加热的反应产物流198与加热的预重整的重整器进料流195组合来产生含有蒸汽和烃的组合的进料流200。该组合的进料流引入催化反应器管140中，在该处，组合的进料流200经历蒸汽甲烷重整以产生合成气流142。组合的进料流200的温度为从大约1000℉到大约1400℉，且在另一个实施例中，从大约1100℉到大约1400℉。蒸汽180还可按需要加入组合的进料流200、天然气进料流182或预热的预重整的重整器进料流195，以调整流200的温度，以及将流200的蒸汽与碳之比从大约1.6调整至大约3.0，且更优选将蒸汽与碳之比从大约2.0调整至大约2.8。蒸汽优选为从大约300psia到大约1200psia和从大约600℉到大约1100℉的过热蒸汽180，且借助于使用设置在渗余物导管中的蒸汽盘管179与加热的渗余物流124间接热传递来加热。过热蒸汽180优选加至预重整器192上游的含烃进料流182，以调整组合的进料流200的蒸汽与碳之比和最终温度。另外，为了减小甲烷散逸(methane slip)和优化基于氧输送膜片的重整反应器的经济性能，氧输送膜片反应器101应当优选保持在小于或等于大约250psia的流出压力下，且更优选在小于或等于150psia的流出压力下。

由基于氧输送膜片的重整反应器101产生的合成气流142大体上含有氢、一氧化碳、蒸汽和二氧化碳，其它组分如可能的甲烷散逸。换热区段104设计成冷却产生的合成气流142。换热区段104还设计成使得在冷却合成气流142中，各种进料流预热且工艺蒸汽也生成。

合成气流142的初始冷却利用工艺气体锅炉(PG锅炉)149中的蒸汽生成实现，锅炉149联接到蒸汽锅筒(steam drum)157上，且设计成将冷却的合成气144的温度降低至大约760℉或更低。如图1中所示，最初冷却的合成气流144在换热网络中连续地进一步冷却，该网络包括烃进料预热器150、节约器156、给水加热器158、合成气冷却器161和水冷却换热器164。

最初冷却的合成气流144引导至燃料预热器150以加热天然气进料流182，且然后引导至节约器156来加热锅炉给水188。锅炉给水流188优选使用给水泵(未示出)泵送，在节约器156中加热且发送至蒸汽锅筒157。

冷却的合成气流146在一系列步骤中进一步冷却，包括用于加热给水流159的给水加热器158，后接合成气冷却器161，以及经由单独的冷却水流166冷却的随后的水冷却换热器164。加热的给水159引导至脱气器(未示出)，其提供锅炉给水188。所得的完全冷却的合成气流148然后引入分离器(knock out drum)168中，冷凝物流170从分离器168排出来产生完全冷却的合成气流172。完全冷却的合成气流172可在合成气压缩机174中压缩来产生合成气产物176。

在反应驱动的基于氧输送膜片的重整反应器和系统的一些应用中，产生的合成气应当具有从大约1.5到大约2.2的模数。此外，此类产生的合成气流理想地具有小于大约百分之4.5体积的甲烷散逸，其中基于氧输送膜片的重整反应器的流出压力为250psia或更小，且更优选地，具有小于大约百分之2.5体积的甲烷散逸，其中基于氧输送膜片的重整反应器的流出压力为170psia或更小。

参看图3和4，基于氧输送膜片的重整系统的备选实施例示为基于氧输送膜片的组合式重整系统401，其优选包括两个反应器，即，重整反应器和氧输送膜片反应器。重整反应器由多个含催化剂的重整管440构成，其中发生天然气进料的主要重整，且氧输送膜片反应器由多个含催化剂的氧输送膜片管420构成，其中发生二次重整。图3绘出了两个反应器的总体布置和与其相关联的流的实体模型。另一方面，图4示出了基于氧输送膜片的组合式重整系统401的简图。尽管仅六个二次重整氧输送膜片管420紧邻三个主重整管440在图3中示出，但如本领域的技术人员将想到那样，各个氧输送膜片子系统中可存在许多此类二次重整氧输送膜片管和许多主重整管。同样，将存在用于基于氧输送膜片的组合式重整系统401的工业应用中的多个氧输送膜片子系统。

如图3中所示，加热的含氧流415经由进气管416引导至结合到氧输送膜片系统401中的多个二次重整氧输送膜片管402。二次重整氧输送膜片管420优选构造为能够在升高的操作温度下传导氧离子的多层陶瓷管，其中二次重整氧输送膜片管420的氧化剂侧或渗余物侧为暴露于加热的含氧流415的陶瓷管的外表面，且反应物侧或渗透物侧为陶瓷管的内表面。便于天然气的部分氧化和重整的一种或多种催化剂在二次重整氧输送膜片管420中的各个内。

待重整的含烃进料流492(优选天然气)通常与少量氢或富氢气体493混合，且在用作进料预热器的换热器450中预热至大约370℃。由于天然气通常含有不可接受那样高水平的硫类，故少量氢通常加入以便于脱硫。加热的进料流482经由装置490经历除硫工艺如加氢处理，以将硫类还原成H₂S，其随后使用材料如ZnO和/或CuO在防护床中除去。加氢处理步骤还使存在于含烃进料流中的任何烯烃饱和。尽管未示出，但加热的进料流482也可经历预重整步骤，例如，在隔热预重整器中，其将较高的烃转变成甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳，或经历加热预重整步骤。在加热预重整的情况中，构想出了基于催化剂的预重整器与基于氧输送膜片的重整系统热耦合。

过热蒸汽480按需要加至预处理的天然气和氢进料流，以产生混合的进料流438，其中蒸汽与碳之比优选在大约1.0到2.5之间，且更优选在大约1.2到2.2之间。过热蒸汽480优选在大约15bar到80bar之间，且在大约300℃到600℃之间，且借助于使用设置在渗余物导管425中的蒸汽盘管479的与加热的渗余物流424的间接热交换来生成。未加入或用于天然气和氢进料482的任何过热蒸汽480为用于发电的输出蒸汽481。混合的进料流438借助于使用设置在渗余物导管425中的盘管489的与加热渗余物流的间接热交换来加热至优选大约450℃到650℃之间，且更优选大约500℃到600℃之间。

加热的混合进料流438然后发送至重整管440，其包含重整催化剂。流出重整管440的部分地重整的富氢合成气498的温度通常设计成在650℃到850℃之间。该合成气然后给送至填充有或含有重整催化剂的氧输送膜片管420。来自加热的进气的氧透过氧输送膜片管420，且便于部分地重整的合成气498的一部分的反应。由该反应生成的能量或热的一部分用于部分地重整的合成气498中的剩余甲烷的原地(in-situ)二次重整。其余的能量或热通过辐射传递至重整管440以驱动主重整反应，和通过对流传递至氧排尽的流424。流出基本上作用为二次重整器的氧输送膜片管420的合成气442在大约900℃到大约1050℃之间的温度下。

发生在主重整管440中的重整工艺的吸热要求通过来自二次重整氧输送膜片管420的一些热的辐射连同由加热的渗余物流424提供的对流热传递提供。此外，当加热的氧排尽的渗余物流424流出基于氧输送膜片的重整系统401时，其还经由使用设置在渗余物流导管425中的一个或多个盘管489的间接热传递来将混合的进料流438加热至大约450℃到650℃之间的温度。

图3中所示的氧输送膜片重整子系统的备选实施例的其余部分在许多方面类似于图1中的实施例。例如，含氧流410借助于强制通风(FD)风扇414引入系统而进入换热器413，以用于将含氧进料流410预热至大约500℃到1050℃的范围中的温度。

氧排尽的空气流出氧输送膜片重整管作为处于略高于加热空气进料流415的温度下的加热渗余物流424。任何温度上升(通常＜50℃)归因于通过氧输送膜片管中的氢和一氧化碳的氧化反应生成且通过对流传递至空气流的能量的一部分，如下文更详细所述，由补充进料空气的引入来补偿。加热的氧排尽渗余物流424首先用于将混合的进料流加热至大约450℃到大约650℃之间的温度，且更优选至500℃到600℃之间的温度，且还可用于将蒸汽进一步加热至过热蒸汽。

该氧排尽的渗余物流424的温度优选需要然后在引导至陶瓷换热器或再生器413之前提高回大约1050℃到1200℃之间的温度。渗余物流424的温度的这样升高优选通过使用导管焚烧器426实现，导管焚烧器426便于补充燃料流428使用渗余物流424中的一些剩余氧燃烧。可构想出的是，混合进料加热器和蒸汽过热器可作为备选位于单独的焚烧加热器(未示出)中。在此情况下，导管焚烧器426的燃料要求将大致较低。通常含有小于5%的氧的流出陶瓷换热器的所得的冷渗余物流出基于氧输送膜片的重整系统401来作为大约150℃的温度下的排出气体432。

现在又转到图3，由基于氧输送膜片的重整系统401产生的合成气流442大体上含有氢、一氧化碳、未转变的甲烷、蒸汽、二氧化碳和其它组分。来自合成气流442的较大部分的可感测的热可使用换热区段或回收系404回收。换热区段404设计成冷却流出基于氧输送膜片的重整系统401的产生的合成气流442。在冷却合成气流442时，生成工艺蒸汽，预热烃进料流，且加热锅炉给水。

为了最小化金属尘化问题，热合成气442在工艺气体(PG)锅炉449中直接冷却至大约400℃或更低。最初冷却的合成气流444然后用于在燃料预热器450中预热天然气和氢进料流482的混合物，且随后在节约器456中预热锅炉给水488，且加热给水流459。在所示实施例中，锅炉给水流488优选使用给水泵(未示出)泵送，在节约器456中加热，且发送至蒸汽锅筒457，同时加热的给水459发送至提供锅炉给水488的脱气器(未示出)。流出给水加热器458的合成气优选为大约150℃。其使用翅片风扇冷却器461和由冷却水466进料的合成气冷却器464冷却至40℃。冷却的合成气448然后进入分离器468，在该处，水从底部除去作为工艺冷凝物流470，其(尽管未示出)再循环来用作给水，且冷却的合成气472在高顶部回收。

冷却的合成气流472可选在合成气压缩机474中压缩来产生合成气产物476。取决于基于氧输送膜片的重整系统的操作压力，回收的合成气的压力优选在大约10bar到35bar的范围中，且更优选在12bar到30bar的范围中。所示实施例中产生的合成气的模数通常小于大约2.0且通常小于大约1.9，而对于一些合成气应用如甲醇合成，合成气的期望的模数优选在大约2.0到2.2的范围中。在OTM反应器（氧输送膜片反应器）前的隔热预重整器的使用可相对于没有预重整器的构造将模数增大大约0.05到0.1。利用加热的预重整器，变得可能的是实现较高的模数，优选大于2，且明确大于1.0。确切的模数值取决于操作温度。

氧输送膜片元件

本发明的氧输送膜片面板优选包括一个或多个氧输送膜片重复单元和/或元件。在一个实施例中，这些氧输送膜片重复单元和/或元件包括一个或多个氧输送膜片管，其结合复合结构，复合结构结合致密层、多孔支承件和位于致密层与多孔支承件之间的中间多孔层。这些管可为椭圆形，大致圆柱形或圆柱形结构。致密层和中间多孔层中的各个能够在升高的操作温度下传导氧离子和电子来分离氧。多孔支承层因此将形成渗透物侧。致密层和中间多孔层包括离子传导材料和导电材料的混合物来分别传导氧离子和电子。在一个实施例中，离子传导材料由氟石构成。中间多孔层相比多孔支承层具有较低渗透性和较小平均孔径，以朝多孔支承层分送由致密层分离的氧。例如，在一个实施例中，氧输送膜片元件为混合相氧离子传导致密陶瓷分离层，其包括基于氧化锆的氧离子传导相和显著电子传导的钙钛矿相的混合物。该较薄的致密分离层在较厚的惰性多孔支承件上实施。

中间多孔层可具有从大约10微米到大约40微米的厚度，从大约百分之25到大约百分之40的孔隙率，以及从大约0.5微米到大约3微米的平均孔径。致密层可具有从大约10微米到大约30微米的厚度。多孔表面交换层可设有从大约10微米到大约40微米的厚度、从大约百分之30到大约百分之60的孔隙率，以及从大约1微米到大约4微米的孔径，且支承层可具有从大约0.5mm到大约10.0mm的厚度，在另一个实施例中，厚度为大约0.9mm，且孔径不大于50微米。中间多孔层可包含大约百分之60重量的(La0.825Sr0.175)0.96Cr0.76Fe0.225V0.015O3-δ、其余是10Sc1YSZ的混合物，致密层可由大约百分之40重量的(La0.825Sr0.175)0.94Cr0.72Mn0.26V0.02O3-x、其余是10Sc1YSZ的混合物形成，且多孔表面交换层可由大约百分之50重量的(La0.8Sr0.2)0.98MnO3-δ、其余是10Sc1CeSZ的混合物形成。

在一个实施例中，氧输送膜片管包括一种或多种催化剂。例如，催化剂颗粒或含有催化剂颗粒的前体的溶液可载入氧输送膜片管内。作为备选，它们可整体结合到氧输送膜片管的中间多孔层中，邻近氧输送膜片管的中间多孔层的多孔支承层中，和/或氧输送膜片管的内表面可由所述催化剂涂布或活化。

在一个实施例中，催化剂颗粒含有催化剂，其选择成在被引入多孔支承件的孔中、在中间多孔层相对的其一侧上时，在有氧存在的情况下促进含氢流的氧化。催化剂可为钆掺杂的二氧化铈。在另一个实施例中，催化剂为或包括重整器催化剂。在又一个实施例中，氧输送膜片管包括选择成在有氧存在的情况下促进含氢流的氧化和重整器催化剂两种催化剂。此外，多孔表面交换层可提供成与中间多孔层相对的致密层接触。在此情况下，多孔表面交换层可形成渗余物侧。支承层优选由氟石形成，例如，3mol%的氧化钇稳定的氧化锆，3YSZ。

氧输送膜片重整模块

从前述描述可容易认识到，反应驱动的氧输送膜片组件或模块可由以下构成或包括以下：(i)多个管状陶瓷氧输送膜片，其构造成将来自存在于管状陶瓷氧输送膜片的外表面或渗余物侧处的含氧流的氧离子输送至管状陶瓷氧输送膜片的内表面或渗透物侧；(ii)多个含催化剂的重整器管，其设置成与陶瓷氧输送膜片管成紧邻或并列关系，且构造成在有重整催化剂和由管状陶瓷氧输送膜片生成的辐射热存在的情况下由烃进料产生合成气；(iii)第一歧管，其具有相关联的密封件，以允许烃进料气体和蒸汽的流通过含催化剂的重整器管来产生合成气；(iv)第二歧管，其具有相关联的密封件，以允许含氢气体如合成气体和蒸汽的流通过管状陶瓷氧输送膜片；(v)将含催化剂的重整器管中产生的合成气体的一部分提供至管状陶瓷氧输送膜片的再循环回路；(vi)入口回路，其构造成提供蒸汽且将烃进料供应至组件或模块和容纳在其中的多个含催化剂的重整器管；(vii)出口回路，其具有流出歧管，流出歧管构造成从组件或模块取得在多个含催化剂的重整器管中产生的合成气；以及(viii)空气分级系统，其构造成将空气或其它含氧流供应至多个管状陶瓷氧输送膜片的外表面。

当多个氧输送膜片组件或模块布置在绝热导管内，其中加热的含氧气体如加热的空气以横向流构造流动时，合成气将产生，只要所需的蒸汽、燃料和含氢气体给送至处理侧。在阵列中的组件或模块和多个模块的布置的设计中，必须允许热释放的陶瓷氧输送膜片管与热吸收的含催化剂的重整器管之间的充分热耦合或热传递。陶瓷氧输送膜片管与相邻的含催化剂的重整器管之间的热传递的从大约75%到85%是通过热传递的辐射模式，由此表面面积、表面视角系数、表面发射率和管之间的非线性温差(即，T_otm⁴-T_重整器⁴)是热耦合的关键要素。表面发射率和温度大体上由管材料和反应要求指出。表面面积和辐射视角系数大体上由各个模块和整个反应器内的管的布置或构造指出。尽管存在可满足氧输送膜片管与重整器管之间的热耦合要求的许多管布置或构造，但关键挑战在于实现每单位容积的相对较高生产率，这继而又取决于包含在单元容积内的活性氧输送膜片区域的量。实现最佳热耦合性能的附加挑战在于确定和优化陶瓷氧输送膜片管和含催化剂的重整器管的尺寸，且更具体是相应的管的有效表面面积比A_重整器/A_otm。当然，此性能优化必须相对于模块和反应器的可制造性要求、成本以及可靠性、可维护性、操作可用性来平衡。

已经发现，这些问题领域的显著优点可通过提高氧输送膜片重复单元能力、催化反应器管直径的减小和模块设计和管布置来获得。将各种现有技术系统中的大约2.0到3.0英寸范围的催化反应器管外径减小至大约0.6到1.0英寸的外径范围，连同管布置的对应变化，包含在反应器壳体的单位容积内的活性氧输送膜片区域的量可极大地提高。

图1中所示的氧输送膜片管120或图3中所示的氧输送膜片管420的优选布置为第一面板布置214(图5)，其包括相邻于第二面板布置216(图8)的图6A,6B和7所示的多个直排氧输送膜片管/重复单元204，第二面板布置216包括多个直排的如图9中所示的含催化剂的重整器管/重复单元208。氧输送膜片管和含催化剂的重整器管的此多面板布置改善不同管之间的表面面积比、视角系数和辐射热传递效率。由于氧输送膜片管与重整管之间的改善的视角系数，故重整管的净管数和整体管面积可相比于现有技术的设计减小30%到40%的因数。此外，在重整管直径减小的情况下，抵抗操作温度和压力下的蠕变破裂的所需壁厚可减小，可与管数减少结合导致了显著的成本降低。

如图9中所示，包括第一氧输送膜片面板214和第二重整器面板216的改善的氧输送膜片模块设计212允许了与线性排管布置或共面管布置和与减小直径的重整管相关联的显著优点。所示氧输送膜片模块设计具有的附加优点在于内在的模块化和其所获得的可扩展性，这允许了商业规模的应用而不损失效率。

氧输送膜片和催化剂重整器面板

用于本发明的一个实施例的陶瓷氧输送膜片元件或重复单元204优选包括一个或多个(在另一个实施例中两个或多个)氧输送膜片管，其包括挤制(extruded)的多孔圆柱形基体，该基体具有在基体的外圆柱表面上涂布和烧制的活性层。这些管状陶瓷膜片元件以高效制造工艺产生，其具有大约8mm到20mm的范围内的外径，且具有50到75的范围内的长度/直径比。

如图6A和6B中所示，陶瓷管状膜片元件的任何最终形式的优选联接布置称为'发夹'布置204，其通过将两个管状膜片元件200成对连结在一起而产生，具有在一端上的180度连接肘管220。该'发夹'布置表示陶瓷氧输送膜片元件的重复单元。备选的优选布置为图7中所示的另一个多次通过(multi-pass)或蛇线布置，且称为'M型销'布置。所示'M型销'布置包括串联连接的至少四(4)个氧输送膜片管或多管腿部节段，包括适合的陶瓷至陶瓷的衔接器224，以及两(2)个陶瓷至金属的衔接器228，衔接器228构造成可密封地连接'M型销'布置的端部来形成使用前置的(advanced)金属至陶瓷的密封件的氧输送膜片面板。'M型销'布置还优选包括构造成用于流体地联接相邻的管或腿部节段的多个陶瓷U形连接器，但可使用单个整体结合的连接器组件。腿部节段可为相等长度或不同长度。所示实施例示出了三(3)个陶瓷U形弯头连接器220联接相邻的管以产生蛇线布置的使用。多次通过布置如绘出的'M型销'布置从可制造性和耐用性的观点上看是优选的。

使用'发夹'、两次通过、M型销或其它多次通过的布置也允许了通过使用陶瓷连接器224将多个管连结在一起而产生较高能力的重复单元，以产生如图6A,6B和7中所示的活性陶瓷氧输送膜片元件的附加有效长度。如下文更详细所述，与重复单元的一个'发夹'端相对的一端构造成经由小金属管232来连接到进料和排出歧管上。通过将所有膜片元件的外部连接置于模块的单个端部处允许了模块的热膨胀，而无需将附加的应力置于连接点上。由于沿管状膜片元件的反应长度的氧通量由于沿管状膜片元件的长度发生的燃料气体的逐渐氧化而不恒定，故当位于接近进料口的重复单元的反应性较大区段相邻于位于流出口附近的相同重复单元的反应性较小区段时，重复单元中的该两次通过布置有助于平衡温度。在'发夹'端处，相邻区段均为中等反应性的。多次通过的重复单元通过将管端经由致密陶瓷衔接器元件224或致密陶瓷180度连接肘管220与玻璃陶瓷密封件联接来构成，密封件在膜片元件组件烧制工艺期间结晶。180度肘管220为大体上通过陶瓷注射模制和联结工艺产生的致密陶瓷部分。

现在转到图11,12A和12B，将重复单元的端部连接到进料和排出歧管上优选通过小金属管实现。从陶瓷膜片元件的端部至连接端处的金属管路的过渡通过将连结到金属管路的陶瓷至金属衔接器228直接联接到膜片元件200的端部或经由中间致密陶瓷衔接器与玻璃陶瓷密封件联结来实现。一旦过渡至金属管路，则连接'弯管(pigtail)'232大体上将包含应力消除弯部以及联线隔离阀236，其具有一个或多个焊接或钎焊接头便于联接。重复单元的最终进料或流出点处的金属管路构造成经由钎焊或焊接连接来连接到对应的进料或流出歧管上。

在另一个实施例中，本发明构想出了多次通过的氧输送膜片管反应器，其包括蛇线形管组件，该组件包括多个联接的氧输送膜片管，蛇线形管组件具有与进料歧管流体连通的第一端，与排出歧管流体连通的第二端。氧输送膜片管以平行或大致平行和并列的定向布置，且包括一个或多个隔离阀组件，隔离阀组件设置在管组件的第一端与进料歧管之间，或管组件的第二端与排出歧管之间。各个氧输送膜片管包括管状多孔支承件，其包括离子传导结构的材料，在一个实施例中是氟石结构的材料，双相中间多孔层，其包括导电钙钛矿结构的材料和离子传导氟石结构材料的混合物，中间多孔层设置在多孔支承件上；以及双相致密层，其包括导电钙钛矿结构的材料和离子传导氟石结构的材料的混合物，中间多孔层设置在中间多孔层上，其中多孔支承件的内表面限定氧输送膜片管的反应侧和氧输送膜片管的最外表面限定渗余物侧。

多个联接的氧输送膜片管构造成通过在升高的温度和氧输送膜片管的渗余物侧与反应侧之间的氧的局部压差下将氧离子经由致密层和中间多孔层输送至氧输送膜片管的反应侧，来使氧与接触氧输送膜片管的外表面的含氧流分离。

氧输送膜片管还可构造成在反应侧从进料歧管接收含氢流的流，且以经由氧输送膜片管的层输送的氧来氧化氢，以产生热，这大部分是因为氧输送膜片管的渗余物侧与反应侧之间的氧的局部压差。

蛇线形管组件还可包括构造成以线性布置流体地联接两个氧输送膜片管的一个或多个陶瓷直连接器，以及构造成流体地联接两个相邻的氧输送膜片管的一个或多个陶瓷U形连接器，和/或构造成用于流体地联接多个相邻的氧输送膜片管的一个或多个陶瓷M形连接器。

多个联接的氧输送膜片管构造成在反应侧处的250psia的最大可允许工作压力下操作，在另一个实施例中，达到500psia。

在另一个实施例中，氧输送膜片管包括多孔表面交换层，其包括导电钙钛矿结构的材料和离子传导的氟石结构的材料的混合物，且设置成与中间多孔层相对的致密层接触。

在又一个实施例中，氧输送膜片管反应器包括设置在氧输送膜片管内的催化剂。催化剂可为促进含氢进料流的蒸汽重整的一种，和/或促进含氢流的氧化的一种。

隔离阀236为简单的被动装置，其包括管状本体240、倒角阀座244、陶瓷阀球248、约束阀销252或特征，以及在任一端处与管的连接(见图12A和12B)。作为备选，金属或金属合金球可替代所述陶瓷阀球使用。单个隔离阀组件可用于氧输送膜片重复单元的入口弯管256和出口弯管260两者处。由该对阀提供的功能在于在密封件或膜片破裂的情况下切断至独立重复单元的气流。在进料侧上，阀组件定向成与水平线通常成大约30到90度的角，其中阀的进料侧上约束阀销252在陶瓷阀球下方。在此定向中，阀用作溢流阀。壳体的内部开孔、阀球的直径、阀球的材料和阀的角度选择成使得在密封件或膜片破裂引起的高气流进入重复元件中的情况下，陶瓷阀球248上的阻力将使其升高，且向下传送到管状壳体240，直到其达到倒角阀座特征244。倒角阀座的夹角通常为45度。这里，陶瓷阀球248具有与阀座244的主动切断，且至元件的流动有效中断。在该阀意外跳闸或促动的情况下(启动、瞬变等)，当流动在进料歧管中减小或停止时阀由重力重置。在返回或出口连接侧上，相同的阀可放置成用作流动止回阀(见图12A和12B)。在此情况下，阀的角度不是关键的(水平是典型的)，因为倒角阀座244在壳体的入口侧上，且约束阀销252或特征在壳体的出口侧上。约束阀销252防止陶瓷阀球248在壳体的出口侧上封闭。在密封件或膜片破裂的情况下，从加压出口歧管朝重复单元的破裂口的逆流将引起陶瓷阀球沿逆流方向朝倒角阀座滚动。一旦接合，则陶瓷阀球248至倒角阀座244的主动切断状态将存在，且至重复单元的逆流将中断。壳体材料和连接通常为高温合金如Inconel 625 或Incoloy 800HT，且阀球材料通常是氧化铝或氧化锆陶瓷材料，因为其不与壳体和阀座的金属材料的粘合或粘结。对于45度定向的溢流阀，在致密氧化铝阀球材料的情况下，一定范围的膜片重复单元的期望的流动到闭合设置点以大约0.5到0.9的阀球直径与孔径之比和0.18英寸到0.32英寸的标称直径的阀球实现。

进料歧管264和流出歧管268大体上构造为具有沿其长度以固定距离间隔开的多个孔、端口或插口的管或管路。歧管大体上并排放置，其中端口面向相同方向。歧管大体上在一端处加盖，且其中歧管以大体上并行的定向并排放置。流设计成经由进料歧管264进入穿过氧输送膜片管200，且经由流出歧管268流出，使得歧管中的总体流动成对流布置。进料歧管264和流出歧管268优选置于由金属或耐火板材制成的框架284(图13A-C)中。耐火材料如来自Unifrax Inc.的Duraboard™HD或来自Zircar Inc.的硅酸钙材料是耐火材料的优选选择。金属框架材料对于成本和制造效率是优选的。必须注意最小化来自金属合金的含铬蒸气排放，且具有足够的强度和抗氧化性。氧化铝结瘤(alumina-scale)形成的奥氏体不锈钢如AFA合金是此材料的良好选择，其为Haynes 224。

金属框架优选冲压或切削，且折叠或成形，且焊接在一起来产生具有结构轨道的框架结构，其能够将多个氧输送膜片重复单元保持或固持为直的平行排，因此形成第一面板组件214或布置。氧输送膜片重复单元大体上水平地布置在支承框架284内，其中轨道特征大体上在若干点接合和固持长的重复单元组件。支承框架与氧输送膜片重复单元之间的接合优选在相邻管之间的接合处或附近。氧输送膜片重复单元由框架支承件的优选接合和固持将允许管沿其轴线的侧到侧的移动，以便允许氧输送膜片元件在没有附加应力的情况下扩张和收缩。

为了组装氧输送膜片面板组件，歧管首先置于单侧上的框架支承件284，且已经作为密封的子组件的多个氧输送膜片重复单元置于框架支承件284中的接合或固持特征中，其中金属管路端插入对应的歧管的端口或插口中。这些连接然后在批量工艺中全部同时独立地TIG焊接或焊炬钎焊或真空炉钎焊。钎焊合金通常为以Nicrobraze™ 210, 152, 33, 31的镍焊。

在一个实施例中，多个OTM管204焊接到入口歧管268和出口歧管264上，且出口歧管在面板的顶部和底部处焊接到框架部件上。为了最小化热膨胀引起的应力，出口歧管仅在一个位置焊接到框架上。在一个实施例中，出口歧管在面板的顶部处焊接到框架上(图5，框架未示出)。

在另一个实施例中，OTM管204由框架支承。一种支承手段在于使管抵靠在切入框架部件的槽口中。在另一个实施例中，入口歧管268和出口歧管264位于第二平面(图11)中。形成在歧管的该第二平面与多个OTM管的平面之间的锐角为45度或更小，且使得至少一个歧管定位在正交于多个OTM管的平面的方向上的OTM管的直径的2到大约5倍的距离处。

类似构造的第二面板可由催化重整器重复单元208(见图8和9)形成。在此情况下，重整管208或壳体使用由适合的锻造材料如Incoloy 800HT制成的金属管路或管构成。这些管可为椭圆形，大致圆柱形或圆柱形结构。连续长度的0.75英寸的管路或0.5NPS的管可弯曲以形成两个平行的腿部206和在一端处的180度弯头。该两个平行的腿部布置提供了进料的多次通过重整，这强化了重整过程，同时保持与相邻的辐射热生成的氧输送膜片管的优异热耦合。如附图中所见，催化重整管构造为蛇线管，或更优选为U形管，其包含蒸汽甲烷重整催化剂，且反应器与空气流成横向流布置排列。该两次通过流动设计提供了更多停留时间、增大了表面面积，且用于改善氧输送膜片与催化重整反应器之间的辐射视角系数。

在一个实施例中，多个重整管208焊接到入口歧管272和出口歧管276上。入口歧管272和出口歧管276在面板的顶部和底部(图8，框架未示出)处焊接到框架部件上。为了最小化热膨胀引起的应力，出口歧管仅在一个位置焊接到框架上。在一个实施例中，该位置在面板的顶部。

重整器管208由框架支承。一种支承手段在于使管抵靠在切入框架部件的槽口中。重整器面板的入口歧管272和出口歧管276定位在第三平面中。形成在歧管的该第三平面与多个重整器管的平面之间的锐角为45度或更小，使得至少一个歧管定位在正交于多个重整器管的平面的方向上的重整器管的直径的小于大约两倍的距离处。

重整器管如果由具有小于大约3%重量的铝的镍铬或铁镍铬合金制成，则将优选需要使用来自Hitemco, Nextech, 或Praxair Surface Technologies, Inc.的选择的涂布材料和工艺，在所有外表面或露出表面上以适合的基于氧化铝的铬阻隔层涂布或表面处理。催化重整管可填充各种金属或陶瓷催化剂支承材料。催化剂支承材料的实例可包括折叠的金属箔片、金属筛网、泡沫金属或金属/陶瓷颗粒或具有在露出表面上浸渍或修补涂布(wash-coated)的适合的蒸汽重整催化剂的其它挤制形式。重整管的内表面也可选地利用蒸汽重整催化剂涂布或活化。便于从重整器管过渡至较小直径的金属管路弯管211(图9)的端盖209(图9)也优选涂布有铬阻隔层表面处理，且焊接或钎焊到重整管上来完整催化重整器重复单元。为了便于焊接和/或钎焊操作，待连结的构件的紧密接合表面可被遮盖来防止在接头的表面处形成氧化铝。作为备选，整个催化重整管子组件可在构件连结之后整批地以铬阻隔表面处理涂布，只要入口和出口点的金属管路连接具有遮盖表面以便于连结到歧管上。注意，不需要或要求隔离阀与催化重整器重复单元的进料和流出端口共线。

以与陶瓷氧输送膜片重复元件(OTM重复单元)相似的方式，催化重整器重复单元水平地组装到适合的框架支承件中，其中支承或固持器件设在沿重整器管长度的若干点处。以此方式，重整管自由膨胀和收缩，而没有由支承框架引起的附加应力。用于各个催化剂重整重复单元的端部连接点优选以与陶瓷氧输送膜片重复单元钎焊或焊接到对应的进料和出口歧管上的类似方式钎焊或焊接到进料和出口歧管上。在所有催化重整器重复单元安装在面板中形成焊接或钎焊到歧管上的平行的成排重整管的情况下，催化重整面板完成。任何催化重整器重复单元管中的各个腿部的总长度优选匹配氧输送膜片重复单元的单个腿部的总长度。

第一氧输送膜片面板组件和第二催化重整器面板组件优选层叠或嵌套在一起来形成模块，有时称为双面板模块，其中成排的氧输送膜片管并排设置或设置在成排的催化重整器管附近。这些双面板模块中的一个或多个可层叠在一起，以形成氧输送膜片管阵列与催化重整器管阵列交织。该阵列具有氧输送膜片管与催化重整器管之间的特有较高的视角系数，以及实现热平衡所需的相对较低数目的催化重整器管。在优选阵列中，优选每个催化重整器管有大约两个到四个，且更优选三个或四个氧输送膜片管。在完全组装时，氧输送膜片面板的入口和出口歧管，以及催化重整器面板的入口和出口歧管优选在组合面板或双面板模块的相对侧上。该布置便于简化的歧管连接，以及组合面板或双面板模块的减小厚度和紧密阵列。尽管未示出，但氧输送膜片面板和催化重整器面板可作为备选布置在单个面板模块中，其中交替的层替代双面板子组件布置。

在一个实施例中，第一OTM面板的框架整体结合到第一重整面板的框架上，其中的一些框架元件是共有的。在此实施例中，入口重整歧管和出口重整歧管和第一重整面板组装到第一框架上。接下来，至少两个附加框架结构加到第一框架上，制作第二框架。最后，入口OTM歧管和出口OTM歧管和第一OTM面板组装到第二框架上。

模块化的基于氧输送膜片的重整反应器

单个氧输送膜片面板214和单个催化重整器面板216组合成双面板模块形成了图1中所示的基于氧输送膜片重整反应器101或图3中所示的反应器401的基本模块化单元212。联接或整体结合多个双面板模块212提高了处理能力，且因此提高了合成气生产能力。对于基于氧输送膜片的重整反应器的任何应用，双面板模块(图13A-C)的实际面板尺寸和数目可选择成最佳满足要求。然而，基于氧输送膜片的重整反应器的大多数实际应用可能需要大量面板。为此，图14中绘出了附加级的整体结合和模块化，其中多个双面板模块层叠在耐火内衬钢容器或壳体内，且歧管连接在一起以形成容易安装且连接的基于氧输送膜片的重整反应器组组件。有利地，这些基于氧输送膜片的重整反应器组组件可在车间中生产或制造，且运输到设备地点来安装。此外，这些多个模块组组件便于设备人员简化装卸、连接，和维修，因为它们安装或除去容易。

如图14中所示，一个或多个双面板模块可在耐火内衬壳体304中层叠在一起以形成组组件300的芯。优选从六个到二十个双面板模块层叠在各组组件内。图15为氧输送膜片反应器组组件的构造，其包含层叠的双面板模块300、专用区段或区307，包括给送各个面板的入口歧管和从出口歧管取得工艺流的集管布置。图16为还包含提供空气分级的氧输送膜片反应器组组件的备选构造。组组件壳体优选为碳钢结构，其提供开口的窗口区域来允许空气或其它含氧流流过氧输送膜片管和穿过双面板模块212。壳体还具有耐火内衬，其部分地包绕层叠的双面板模块且构造成提供包含双面板模块的高温区域与构造成包含入口回路、出口回路和再循环回路的组组件的专用区段或区之间的隔热。组组件壳体还提供结构支承、检修面板、升高作业点等。组组件内的多个双面板模块通常在优选位于双面板模块的上方或顶部的组组件的专用区段或区307中的组组件内歧管连接在一起。该专用区段或区优选包括入口回路，其构造成或适于将混合预热进料(例如，天然气和蒸汽)提供至催化剂重整器面板216和氧输送膜片面板214相关联的进料歧管，以及出口回路，其构造成或适于接收和取得含催化剂的重整器面板216中产生的合成气。

专用区段或区还可包括再循环回路，其适于将合成气的一部分从催化重整器面板216的出口歧管提供至与氧输送膜片面板214相关联的进料歧管264。使用再循环回路，合成气体的一部分，优选大约25%到50%吸至氧输送膜片面板的进料歧管作为再循环流。在一个实施例中，各组组件均包括一个或多个气体再循环喷射器(例如，热压缩机)309，其用于便于合成气产物流的一部分从与重整器面板相关联的流出歧管再循环至氧输送膜片面板进料歧管。组组件内的再循环喷射器使用预热加压的混合蒸汽和天然气进料作为动力流。再循环喷射器的吸入侧附接到重整器面板的流出歧管上，使得动力流从吸入侧带走合成气，且驱动气体穿过收敛/发散喷嘴，这有助于动量能转变成静压回收。大体上，天然气和蒸汽动力流和再循环合成气的混合物引导至氧输送膜片面板的进料歧管。经由流出歧管从氧输送膜片面板排放的天然气和蒸汽的混合进料连同来自氧输送膜片面板中的合成气的氧化的反应产物然后引导到与重整面板相关联的进料歧管。

优选的喷射器可从Fox Venturi Products Inc.获得，且可基于绝对压力产生大约1.05到1.15的排放压力与吸入压力比，在如由处理条件指定的目标气体成分和温度下具有大约1.45或以上的动力压力与排放压力比。取决于期望的使用条件，构造材料为与组壳体和面板歧管相似的材料(例如，Inconel 625 或Incoloy 800HT)。由于通过再循环比的调制可能限制内在处理能力，故期望具有对再循环流速的控制。实现此控制的一个优选实施例在于使用两个或多个喷射器，优选平行布置在排放侧和吸入侧上的两个或三个喷射器。动力流分流，且单独地给送至各个喷射器的入口。在使用三个喷射器的布置中，喷射器以1:2:4的相对比率确定尺寸，而在使用两个喷射器的布置中，喷射器粗略地以1:2的相对比率确定尺寸。

利用该多喷射器构造，通过选择接收动力流的排出器或喷射器的组合来实现控制。例如，在使用三个喷射器或排出器的布置中，可进行总共七个不同的再循环流动级。类似地，在使用两个喷射器或排出器的实施例中，可实现总共三个不同的再循环流动级。天然气和蒸汽的流动控制的混合进料将绕过再循环喷射器直接进入重整面板的进料歧管来作为补充进料，以保持对重整工艺的氧/碳比的严格控制。基于氧输送膜片的重整反应器组还可选包括力或压力促动的阀、门或可动面板，以提供组组件的泄压。

氧输送膜片炉系

如图17中更清楚所见，各个基于氧输送膜片的重整反应器组组件300构想为滑入热盒或熔炉节段306中。作为备选，组组件可连结在一起来形成热盒或熔炉节段。这些熔炉节段可独立地制造且串接连接在一起以形成氧输送膜片熔炉系308。作为备选，构造成收纳基于多个氧输送膜片的重整反应器组组件的单个长热盒或熔炉可制造和装运至工厂或在现场构成。在任一实施例中，基于氧输送膜片的重整反应器组大体上串接安装在氧输送膜片熔炉系308中。各个系均构造成连接到空气进料系统320和渗余物取回系统330(图17)上。多个氧输送膜片熔炉系308可并联布置以形成如图18和19中所示的大规模重整器。在包括两个或多个基于氧输送膜片的重整反应器组组件的熔炉系布置中，可能有利的是提供空气分级系统312来提供补充的冷却空气或调节空气，以及提供熔炉系中的相邻多个基于氧输送膜片的重整反应器组组件之间的熔炉泄压器件316。

为了满足能力要求，双面板模块212的尺寸可增大宽度和高度，且氧输送膜片熔炉系308的长度可增大。如图13中所示，双面板模块212宽度可通过增加氧输送膜片面板214中的陶瓷氧输送膜片重复单元204的数目和增大重整器面板216中的重整器重复单元208的有效长度来增大。双面板模块212高度可通过分别增加氧输送膜片面板214和重整器面板216中的多次通过氧输送膜片重复单元204和重整器重复单元208的数目来增大。双面板模块212的宽度和高度可增大，使得穿过面板的元件的内部流体压降不超过基于设备的工艺要求允许的最大压降。如图17中所示，系的长度可通过增加系中的氧输送膜片熔炉组300的数目来增大，使得渗余物侧氧浓度不会在系308中的最后反应器组组件300的入口处降到低于6mol%到15mol%的最小可允许范围。优选的极限为10mol%的氧浓度。

多个熔炉系(308)可安装成满足设备能力要求。优选布置在于将熔炉系(308)安装在如图18-19中所示的并联回路中。各个熔炉系308均包含用于燃料供应、产物输出、空气供应、渗余物输出、泄压和补充冷却空气或调节空气的器件。泄压装置316和补充冷却空气器件312可按需要安装在相邻的反应器组组件之间，或优选各个反应器组组件300构造有用于泄压和补充冷却空气的专用器件。并联架构允许了维护一个系，同时其余系保持操作，提高了设备的工作时间。

基于氧输送膜片的重整反应器的本实施例提供了产生合成气的商业上可行的方法，其相比于现有的SMR和/或ATR解决方案具有明显的成本优点和碳排放量优点。

基于氧输送膜片的气体加热反应器

另一方面，本发明可特征为用于产生蒸汽或其它加热工艺流体的改善的基于氧输送膜片的蒸汽发生器或工艺加热器或气体加热反应器，以及用于执行化学反应的反应器。相比于前文公开的基于氧输送膜片的蒸汽发生系统和反应器，改进的反应器和系统提供氧输送膜片管和蒸汽/流体管的增加的热耦合，以及改善的可制造性、可维护性和可操作性。

现在转到图20，示出了基于氧输送膜片的蒸汽发生器的原理设计，其中使用了类似于上文参照基于氧输送膜片的重整反应器所述的氧输送膜片的面板阵列214类型布置。氧输送膜片蒸汽发生器以结合氧输送膜片阵列或面板214和单独的蒸汽发生器管阵列380的模块化方式布置。阵列或面板大体上以平行定向连接(但可使用非平行布置)，且可增大尺寸或数量来适应较大的锅炉容量。阵列或面板优选收纳在绝热热空气导管中，其具有布置在较冷区中的共有的给水锅筒384和布置在单独的区中的共有的蒸汽锅筒388。工艺气体连接布置在反应器的一侧上，使得可接近另一侧来用于维护。

氧输送膜片管和蒸汽/流体管的整体结合的整组布置主要通过辐射提供了有效热传递。作为备选，氧输送膜片面板和具有流体穿过其间的相邻的热传递面板的布置可用于提供补充热至工艺中，或在一些情况中，提供冷却源来防止系统过热，或以其它方式管理氧输送膜片模块或组件的热负载。该构想还提供了基于氧输送膜片的蒸汽发生器或其它气体加热反应器来具有相对于填充密度、模块化、低成本制造、车间制造模块和可扩展性与上述基于氧输送膜片的重整反应器相似的优点。图20中所示的氧输送膜片管和蒸汽/流体管的整体结合的组布置可适于构造基于氧输送膜片的工艺流体加热器和/或反应器。