MXPA99005119A - Reformador de membrana ceramica - Google Patents

Abstract

Se describe un proceso para generar una producción mejorada de un producto deseado a parar de un reactor de transporte de iones que utiliza los productos de reacción tanto del lado de cátodo como del lado deánodo de una membrana de cerámica de transporte de ion selectiva de oxígeno. Una primera corriente de alimentación donadora de oxígeno conteniendo el producto deseado en un estado químicamente unido es suministrada a lado de cátodo, mientras que una segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno es suministrada hacia el lado deánodo. Después de reacciones químicas tanto en el lado de cátodo como en el lado deánodo, se recupera un producto deseado a partir de la primera corriente de producto que sale del lado de cátodo y a parar de una segunda corriente de producto que sale del lado deánodo, de manera que la suma del producto deseado contenido dentro de las dos corrientes de producto excede a aquella que se puede obtener de cualquier corriente de producto sola.

Description

REFORMADOR DE MEMBRANA CERÁMICA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un proceso para mejorar la recuperación de productos deseados a partir de un reactor de transporte de iones. Más particularmente, los productos deseados son recuperados tanto del lado de ánodo como el lado de cátodo del reactor incrementando así la producción de productos deseados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las compañías de petróleo y petroquímicas han descubierto vastas cantidades de gas natural en sitios lejanos tales como en regiones polares y submarinas. El transporte de gas natural, que consiste en su mayor parte de metano, es difícil, y el metano actualmente no puede ser económicamente convertido a productos más valiosos, tales como hidrógeno, o a productos que sean más económicamente contenidos o transportados, tales como combustibles líquidos incluyendo metanol, formaldehído y olefinas. Típicamente, el metano es convertido a gas de síntesis, un intermediario en la conversión de metano a combustibles líquidos. El gas de síntesis es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono con una relación molar de H2/CO de aproximadamente 0.6 a aproximadamente 6.

La conversión de metano a gas de síntesis actualmente se logra ya sea a través de un proceso de reformación de vapor de metano o un proceso de reformación de dióxido de carbono. La reformación de vapor de metano es una reacción endotérmica: (1) CH4 + H2O =_> CO + 3H2. Este proceso tiene una producción relativamente alta de gas hidrógeno (H2), produciendo 3 moles de gas hidrógeno por cada mol de monóxido de carbono producido. La cinética de reacción requiere la adición de cantidades significativas de calor que hacen que el proceso sea económicamente menos deseable. La reformación del dióxido de carbono también es un proceso endotérmico: (2) CH4 + HzO => 2CO + 2H2. La reacción de reformación de dióxido de carbono es un poco menos eficiente que la reacción de reformación de vapor de metano, generando un mol de gas hidrógeno por cada mol de monóxido de carbono formado. La reacción endotérmica requiere la entrada de una cantidad significativa de calor, haciendo que el proceso también sea económicamente menos deseable. Otro aspecto es la oxidación parcial directa de metano, que puede utilizar un reactor de membrana de conducción iónica o un reactor de membrana de conducción compuesta de acuerdo con la ecuación: (3) CH4 + 1 202 => CO + 2H2. En un reactor de membrana de conducción iónica o compuesta, una membrana de electrolito sólida que tiene selectividad de oxígeno está dispuesta entre una corriente de alimentación que contiene oxígeno y una corriente de producto de consumo de oxígeno, típicamente que contiene metano. La "selectividad de oxígeno" significa que los iones de oxígeno son transportados a través de la membrana mientras otros elementos, y iones de los mismos, no lo son. La membrana de electrolito sólida se hace a partir de óxidos inorgánicos, tipificados por zirconio estabilizado con calcio o itrio y óxidos análogos, por lo general teniendo una estructura de fluorita o perovsquita. A temperaturas elevadas, típicamente en exceso de 500°C, y de preferencia en la escala de 700°C-1200°C, las membranas de electrolito sólidas contienen huecos de ion de oxígeno móvil que proporcionan sitios de conducción para el transporte selectivo de iones de oxígeno a través del material. Ya que las membranas permiten solamente el transporte de oxígeno, éstas funcionan como una membrana con una selectividad infinita para oxígeno y son, por lo tanto, muy atractivas para utilizarse en procesos de separación de aire. En un sistema de tipo iónico, la membrana transporta solamente iones de oxígeno y los dos electrones liberados por el oxígeno en el curso de la ecuación (3) son transportados a través de la membrana a través de un campo eléctrico externo. La patente de E.U.A. número 4,793,904 de Mazanec y otros, que se incorpora aquí por referencia en su totalidad, describe una membrana de transporte iónico revestida sobre ambos lados con una capa eléctricamente conductora. Un gas que contiene oxígeno hace contacto con un lado de la membrana. Los iones de oxígeno son transportados a través de la membrana hacia el otro lado en donde los iones reaccionan con metano o hidrocarburos similares para formar gas de síntesis. Los electrones liberados por los iones de oxígeno fluyen desde la capa conductora hacia los cables externos y pueden ser utilizados para generar electricidad. En una membrana de tipo de conductor compuesta, la membrana es una cerámica de fase doble teniendo la capacidad de transportar selectivamente tanto iones de oxígeno como electrones. Con este tipo de membrana, no es necesario proporcionar un campo eléctrico externo para remover los electrones liberados por los iones de oxígeno. La patente de E.U.A. número 5,306,411 de Mazanec y otros, que se incorpora aquí por referencia en su totalidad, describe la aplicación de una membrana de tipo conductora compuesta. La membrana tiene dos fases sólidas en una estructura cristalina de perovsquita: una fase para el transporte de ion de oxígeno y una segunda fase para la conducción de electrones. El transporte de ion de oxigeno se describe como siendo útil para formar gas de síntesis y para remediar gases de combustión tales como NOx y SOx. La patente de E.U.A. número 5,573.737 de Balachandran y otros, también describe el uso de una membrana de conducción iónica o compuesta para separar oxígeno y subsecuentemente hacer reaccionar los iones de oxígeno con metano para formar el gas de síntesis. La reacción de oxidación parcial es exotérmica y una vez iniciada no requiere de la entrada adicional de calor. Sin embargo, la producción de dos moles de gas hidrógeno por mol de monóxido de carbono producido es 33% menor que la producción obtenida a través de la reformación de metano de vapor convencional (ver ecuación 1 ). La integración de una membrana de transporte de ion con otros aparatos o procesos para mejorar ya sea la producción o la eficiencia, se describe en la solicitud de patente de E.U.A. comúnmente cedida serie número 08/848,200 intitulada "Method of Producing Hydrogen Using Solid Electrolyte Membrane" de Gottzmann y otros, presentada el 29 de abril de 1997, e incorporada aquí por referencia en su totalidad. Una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno y una membrana selectiva de protón (ion de hidrógeno) se combinan para mejorar la producción de gas hidrógeno. Los iones de oxígeno transportados a través de la membrana selectiva de oxígeno se hacen reaccionar con hidrocarburos para formar el gas de síntesis. El gas de síntesis hace contacto con una membrana selectiva de protón que selectivamente transporta iones de hidrógeno que serán reformados como gas hidrógeno. La solicitud de patente de E.U.A. comúnmente cedida serie número 08/848,258 intitulada "Method for Producing Oxidized Product y Generating Power Using a Sohd Electrolyte Membrane Integrated with a Gas Turbine" de Drnevich y otros, presentada el 29 de abril de 1997, e incorporada aquí por referencia en su totalidad, describe la integración de una membrana de transporte de ¡on con una turbina de gas. Una corriente de gas conteniendo oxígeno hace contacto con una membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno. Los iones de oxígeno transportados a través de la membrana son utilizados para generar productos oxidados. La corriente de material de abastecimiento agotado de oxígeno, es decir calentada durante la reacción isotérmica, es suministrada a un combustionador de turbina de gas a una temperatura elevada. La oxidación parcial directa también es posible utilizando oxígeno que ha sido separado fuera del reactor, tal como a través de destilación o adsorción basculante de presión (PSA). Un reactor químico catalítico convencional puede ser utilizado para la reacción y, en ese caso, no es necesaria ninguna membrana. La oxidación parcial directa también puede realizarse utilizando aire, en lugar de oxígeno, sin embargo el proceso se hace menos económico. Aunque la integración mejora el deseo económico de la reacción de oxidación parcial directa, permanece la necesidad de mejorar la producción lograda por el proceso a niveles aproximadamente equivalentes al proceso de reformación de metano de vapor.

OBJETOS DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar un proceso para generar una salida mejorada de un producto deseado a partir de un reactor de transporte de iones. Es un objeto más de esta invención proporcionar un proceso que mejorará la producción de gas hidrógeno a partir de la oxidación parcial directa del metano.

Otro objeto de la invención es utilizar simultáneamente las reacciones químicas que ocurren en ambos lados de una membrana de transporte de iones para obtener la producción mejorada del producto deseado. Un objeto más de esta invención es proporcionar dicho producto deseado, junto con subproductos útiles. Dichos subproductos pueden incluir, sin limitación, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrógeno, argón, energía eléctrica, y combinaciones de los mismos.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Esta invención comprende un proceso para generar una producción mejorada de un producto deseado a partir de un reactor de transporte de iones. De acuerdo con el proceso, se proporciona un reactor de transporte de iones que tiene una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dispuesta dentro del reactor. La membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno tiene un lado de cátodo y un lado ánodo. Una primera corriente de alimentación donadora de oxígeno que contiene el producto deseado en un estado químicamente unido es suministrada al lado del cátodo a una primera presión parcial de oxígeno. Al mismo tiempo, una segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno que contiene un producto deseado, tal como hidrógeno, en un estado químicamente unido es suministrada al lado de ánodo y establece una segunda presión parcial de oxígeno en el lado de ánodo. La primera presión de oxígeno se selecciona para ser mayor que la segunda presión parcial de oxígeno. La membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno es operada a una temperatura elevada que es suficiente para facilitar el transporte de ¡on de oxígeno a través de la membrana. El oxígeno elemental obtenido dei primer material de abastecimiento es transportado a través de la membrana para reaccionar con la segunda corriente de alimentación. Una primera corriente de producto después es recuperada del lado de cátodo del reactor de transporte de ion. Esta primera corriente de producto contiene una primera porción del producto deseado. Una segunda corriente de producto después es recuperada del lado de ánodo y contiene una segunda porción del producto deseado. La suma de la primera porción más la segunda porción provee un total del producto deseado. El porcentaje de conversión para el producto deseado de la combinación de la primera porción y la segunda porción preferiblemente excede a aquel que se puede obtener a partir de la segunda corriente de alimentación sola. proveyendo así la producción mejorada de producto deseado.

En una modalidad preferida, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno contiene por lo menos un componente seleccionado del grupo que consiste de NOx, vapor de agua, dióxido de carbono y combinaciones de los mismos y la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno contiene por lo menos un componente seleccionado del grupo que consiste de reactivos que contienen hidrógeno, reactivos que contienen carbono, y combinaciones de los mismos. En otra modalidad preferida, el reactor es operado a una temperatura en un exceso de 500°C. En otra modalidad preferida, el gas hidrógeno es separado tanto de la primera porción como de la segunda porción como el producto deseado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetos, aspectos y ventajas se les ocurrirán a aquellos expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción de las modalidades preferidas y los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1 ilustra una representación transversal de una membrana de transporte de ion de conductor compuesto operada como un reactor reformador de acuerdo con la invención; La Figura 2 es un diagrama de flujo de proceso que ilustra la generación de gas hidrógeno a partir del lado de cátodo del reactor de ion de conductor compuesto de la Figura 1; La Figura 3 es un diagrama de flujo de proceso ilustrando un primer método para aislar gas hidrógeno y dióxido de carbono del lado de ánodo del reactor de transporte de ion compuesto de la Figura 1 ; La Figura 4 es un diagrama de flujo de proceso ¡lustrando otro proceso para aislar gas hidrógeno y dióxido de carbono del lado de ánodo del reactor de ion compuesto de la Figura 1; La Figura 5 es un diagrama de flujo de proceso ilustrando un primer método para obtener monóxido de carbono a partir del lado de ánodo del reactor de transporte de ion compuesto de la Figura 1; La Figura 6 es un diagrama de flujo de proceso ¡lustrando un proceso para obtener tanto hidrógeno como dióxido de carbono del lado de ánodo del reactor de transporte de ion compuesto de la Figura 1 ; La Figura 7 ¡lustra un proceso para obtener dióxido de carbono, gas hidrógeno y monóxido de carbono del lado de ánodo del reactor de transporte de ¡on compuesto de la Figura 1; La Figura 8 ¡lustra una representación lateral transversal de un reactor químico que contiene tanto una membrana de transporte de ion compuesto selectiva de oxígeno como una membrana de transporte de ion compuesta selectiva de protón; La Figura 9 ilustra el reactor de la Figura 8 en una representación extrema transversal a lo largo de las líneas 9-9 en la Figura 8; La Figura 10 es un diagrama de flujo de proceso ¡lustrando un proceso de la invención para mejorar la producción de hidrógeno a partir de metano; La Figura 10A es un diagrama que ¡lustra una porción de una disposición alternativa para el proceso de la Figura 10; y La Figura 11 ilustra una representación transversal de un reactor de transporte de ion compuesto termoneutro operado de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención se puede lograr proporcionando un reactor de transporte de ¡on que contiene una membrana cerámica de transporte de ion selectiva de oxígeno que tiene un lado de cátodo y un lado de ánodo y que opera al reactor como un reformador de membrana cerámica. Suministrando una corriente de alimentación donadora de oxígeno conteniendo un producto deseado en un estado químicamente unido al lado de cátodo mientras se suministra simultáneamente una corriente de alimentación de aceptación de oxígeno que contenga hidrógeno en un estado químicamente unido al lado de ánodo, se pueden aislar productos deseados de las corrientes de salida tanto del lado de ánodo como del lado de cátodo. El total del producto deseado obtenido a partir de estas dos corrientes de salida separadas de dicho reformador de membrana cerámica excede el total de salida que se puede obtener a partir de cualquier corriente sola. La Figura 1 ilustra una representación transversal de un reactor de transporte de ¡on 10 para operarse como un reformador de membrana cerámica en un proceso de la invención. Ya que el reactor de transporte de ion 10 es del tipo de conductor compuesto, un reactor de membrana de conducción iónica puede ser utilizado sin afectar significativamente el proceso de la invención. Las membranas que operan en un gradiente de presión parcial son preferidas, ya que no se requiere de ninguna fuerza externa para impulsar la separación de oxígeno. Sin embargo, se puede utilizar una corriente externa para impulsar el transporte de ion a través de las membranas densas sin afectar el espíritu de la invención. Ya que la adición de una corriente externa requiere de equipo y costo extra, la economía del proceso puede no ser cambiada substancialmente. Dispuesta dentro del reactor de transporte de ion 10 está una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. La membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 tiene un lado de cátodo 14 y un lado de ánodo 16. La membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 se forma ya sea como un conductor de fase compuesta o doble de oxido sólido de pared densa, o alternativamente como un conductor de fase compuesto o doble de oxido sólido de película delgada que está soportado sobre un substrato poroso. El material de transporte de ion tiene la capacidad de transportar iones de oxígeno y electrones a la presión parcial de oxígeno prevaleciente en la escala de temperatura de aproximadamente 500°C a aproximadamente 1200°C, cuando se mantiene una diferencia potencial química a través de la superficie de membrana de transporte de ion ocasionada por una relación en las presiones parciales de oxígeno a través de la membrana de transporte de ion. Los materiales adecuados para la membrana de transporte de ion incluyen pérovsquitas y combinaciones de óxido de metal-metal de fase doble como se lista en el cuadro 1. Ya que el ambiente reactivo en el lado de ánodo 16 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12, en muchas aplicaciones, crea presiones de oxígeno parciales muy bajas, las perovsquitas que contienen cromo dei cuadro 1 pueden ser el material preferido, ya que éstas tienden ser estables en el ambiente de presión de oxígeno parcial bajo. Las perovsquitas que contienen cromo químicamente no se descomponen a presiones de oxígeno parciales muy bajas. Opcionalmente, se puede agregar una capa de catalizador porosa, posiblemente hecha del mismo material de perovsquita, a uno o ambos lados de la membrana de transporte de oxígeno para mejorar el intercambio de superficie de oxígeno y las reacciones químicas sobre la superficie. Alternativamente, las capas de superficie de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno pueden ser combinadas, por ejemplo, con cobalto, para mejorar ia cinética de intercambio de superficie.

CUADRO 1 Materiales Conductores De Ion De Oxígeno BaCei xGd??3-x 2 en donde, x igual de cero a aproximadamente 1 Uno de los materiales de la familia ASA'.BUB vB' 'wOx cuya composición se describe en la patente de E U A 5,306,411 (Mazanec et al ) como sigue A representa un lantánido o Y, o una mezcla del mismo, A' representa un metal alcalinotérreo o una mezcla del mismo, B representa Fe, B' representa Cr o Ti, o una mezcla de los mismos, B" representa Mn, Co, V, Ni o Cu, o una mezcla de los mismos, y s, t, u, v, w y x son números de manera que s/t igual de aproximadamente 0 01 a aproximadamente 100, u igual de aproximadamente 0 01 a aproximadamente 1, v igual de cero a aproximadamente 1, w igual de cero a aproximadamente 1, x igual a un número que satisface las valencias de A, A , B, B , B" en la fórmula, y 0 9 < (s + t)/(u + v + w)< 1 1 Uno de los materiales de la familia La?-?SrxCu? yMy?30, en donde M representa Fe o Co, x igual de cero a aproximadamente 1, y igual de cero a aproximadamente 1, d igual a un numero que satisface las valencias de La, Sr, Cu, y M en la fórmula Uno de los materiales de la familia Ce?-xAx?2 „, en donde A representa un lantánido, Ru o Y, o una mezcla del mismo, x es igual de cero a aproximadamente 1, d igual a un número que satisface las valencias de Ce y A en la fórmula Uno de los materiales de la familia Sn xBixFeOs-c en donde x igual de cero a aproximadamente 1, d igual a un numero que satisface las valencias de Sr, Bi y Fe en la formula Uno de los materiales de la familia Sr?FeyCozOw, en donde x igual de cero a aproximadamente 1, y igual de cero a aproximadamente 1, z igual de cero a aproximadamente 1, w igual a un numero que satisface las valencias de Sr, Fe y Co en la formula Conductores compuestos de fase doble (electronicos/ionicos) (Pd)0 s/(YSZ)a s (Pt)0 5/(YSZ)c _ .B-MgLaCrO c =(YSZ)0 s (lnSo%Pt?o%)o 6/(YSZ)o 5 (ln90%Pt,o%)o 5/(YSZ)o 5 (ln95%Pr25%Zr25%)o s/(YSZ)05, Cualquiera de los materiales descritos en 1-13, a los cuales se agrega una fase metálica de alta temperatura (por ejemp 0, Pd, Pt, Ag, Au, Ti, Ta, W) es agregado.

El reactor de transporte de ion 10 es operado a una temperatura elevada que es suficiente para facilitar el transporte de ion de oxígeno a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno. La temperatura de operación es de por lo menos 500°C, y de preferencia en la escala de 700°C a 1200°C, aproximadamente, y muy preferiblemente en la escala de aproximadamente 800°C alrededor de 1000°C. Durante operación, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 es suministrada a un primer recipiente de reacción o cámara 20 en contacto con el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. La primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 puede ser cualquier composición gaseosa que contenga el producto deseado en un estado químicamente unido. Esto incluye composiciones que son gaseosas a la temperatura de operación del reactor de transporte de ¡on, aún si está en un estado diferente a temperatura ambiente, por ejemplo, vapor. Las composiciones ilustrativas para la primera corriente de alimentación 18 incluyen Nox (en donde x es de 0.5 a 2) vapor de agua y combinaciones de los mismos. Simultaneo con el suministro de la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 al primer recipiente de reacción 20 en el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 está el suministro de una segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 a un segundo recipiente de reacción o cámara 24 que hace contacto con el lado de ánodo 16 de la membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno 12. La segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 es cualquier corriente gaseosa adecuada que contenga hidrógeno en un estado químicamente unido. Los componentes ilustrativos para el segundo material de abastecimiento de aceptación de oxígeno incluyen reactivos que contienen hidrógeno, reactivos que contienen carbón y combinaciones de los mismos. Muy preferidos son los hidrocarburos ligeros de la forma CxHy, en donde x es de entre 1 y 5 e y es de entre 4 y 12. Muy preferido es el metano. Tanto la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 como la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 además pueden incluir diluyentes no reactivos y gases de barrido tales como nitrógeno, argón, vapor o dióxido de carbono. Ya que una pequeña fracción de una entrada de vapor o gas dióxido de carbono reaccionará, una fracción mayor de la entrada de gas no lo hará y, por lo tanto, el vapor y el dióxido de carbono funcionan como gases de barrido en lugar de gases reactivos. Las moléculas que contienen oxígeno 26 contenidas dentro de la corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 entran al reactor de transporte de ion 10 a través de la entrada lateral de cátodo 28. El oxígeno elemental 30 es desasociado de las moléculas que contienen oxígeno 26 en el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. El oxígeno elemental, en la forma de iones de oxígeno (O""), es transportado como se muestra por la flecha 31 a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 hacia el lado de ánodo 16. Las moléculas agotadas de oxígeno 32 salen del reactor de transporte de ¡on 10 a través de la salida lateral de cátodo 34 como una primera corriente de producto 36, también denominada como la retención, es decir, los constituyentes retenidos sobre el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. El "oxígeno elemental" se refiere al oxígeno que no está combinado con otros elementos de la tabla periódica. Aunque típicamente en forma diatómica, el término "oxígeno elemental" como se utiliza aquí, está destinado a abarcar átomos de oxígeno individuales, ozono triatómico, y otras formas no combinadas con otros elementos. El oxígeno elemental 30 en la forma de iones de oxígeno (O" ) es transportado, a través de huecos de estructura de red, a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 hacia el lado de ánodo 16. Una vez en el segundo recipiente de reacción 24, el oxígeno elemental 30' reacciona con moléculas consumidoras de oxígeno 38 contenidas dentro de la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22. Durante las reacciones de oxidación, los iones de oxígeno ceden electrones 40 que después son transportados como se muestra por la flecha 41 a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 y se hacen disponibles en el lado de cátodo 14 para combinarse con el oxígeno elemental 30 para formar iones de oxígeno. Los productos de reacción 42, 43 típicamente incluyen tanto moléculas que contienen oxígeno 42, tales como CO y CO2, como gas hidrógeno 43. Los productos de reacción 42, 43 salen del reactor de transporte de ion 10 a través de una salida del lado de ánodo 44 como una segunda corriente de producto 46. La segunda corriente de producto 46 también es denominada como la penetración, refiriéndose a constituyentes que incluyen el oxígeno que fue transportado a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. Ya que la Figura 1 ¡lustra la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 y la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 que fluye en una relación contra corriente, el flujo concurrente puede ser aplicable bajo ciertas aplicaciones. La velocidad de flujo, es decir, la velocidad de transporte dei ion de oxígeno a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12, es impulsado por ei diferencial en la presión parcial de oxígeno (Opp) entre los constituyentes del primer recipiente de reacción 20 (primer Opp) y los constituyentes del segundo recipiente de reacción 24 (segundo Opp). Es deseable incrementar al máximo la velocidad de flujo. Preferiblemente, el diferencial entre el primer Opp y el segundo Opp es al menos de un factor de 1000, y muy preferiblemente del orden de entre 1010 y 1015. Por ejemplo, el primer Opp puede ser del orden de 0.1 atmósferas, y el segundo Opp del orden de 10"14 atmósferas. Para reducir el segundo Opp, se puede incluir un diluyente fácilmente separado, o un gas de barrido, tal como vapor, en la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22. Alternativamente, la velocidad de flujo puede ser eléctricamente impulsada. Cuando el flujo a través de la membrana es eléctricamente impulsado, no se requiere de un gradiente de presión parcial de oxígeno y, por lo tanto, para esta alternativa, el primer Opp no siempre es mayor que el segundo Opp. Un proceso de la invención provee un método efectivo para incrementar la producción de hidrógeno para controlar la composición del gas en la primera corriente de producto 36 y en la segunda corriente de producto 46. La producción de hidrógeno por molécula de metano puede ser incrementada hasta en un 50% alimentando vapor al lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. Similarmente, la producción de monóxido de carbono puede ser duplicada alimentando C02 al lado de cátodo. Cuando el vapor es alimentado al lado de cátodo, la reacción del lado de cátodo es: (4) HzO = H2 + 1 202 y la reacción del lado de ánodo: (3) CH4 + 1'202 ^ CO + 2H2. Combinando las ecuaciones (3) y (4): (1) CH4 + H2O => CO + 3H2. Cuando el dióxido de carbono es alimentado al lado de cátodo, la reacción del lado de cátodo es: (5) CO2 => CO + 1/2O2 y la reacción del lado de ánodo: (3) CH4 + 1/2O2 =5 CO + 2H2. Combinando las ecuaciones (5) y (3): (2) CH4 + H20 => 2CO + 2H2. La descomposición de CO2 en el lado de cátodo y la reducción de oxidación parcial en el lado de ánodo, ambos producen CO. Ya que el CO viene tanto de CO2 como de CH4, la producción molar de CO en la salida excede la entrada molar de metano. Las reacciones laterales de ánodo son exotérmicas y requieren de la remoción de calor para la operación de estado estable. La mayoría del calor se remueve a través del gas de producto, algo se remueve mediante intercambio térmico, y algo se pierde. Las reacciones laterales de cátodos son endotérmicas y proporcionan un colector para la remoción de calor del lado de ánodo, proporcionando así el control de calor para el reformador de membrana cerámica. El vapor puede ser inyectado al reactor en puntos calientes específicos para incrementar la remoción del calor.

Además, el vapor opcionalmente puede ser precalentado antes de que sea introducido al reactor para obtener un nivel de temperatura deseado. Dichas condiciones de vapor pueden proporcionar una producción de hidrógeno incrementada. Los puntos calientes ocurren sobre el lado de ánodo de la membrana, en donde existe una fuga o el flujo de oxígeno local es alto conduciendo a zonas de combustión completa, en lugar de parcial. La oportunidad de proveer la remoción de calor objetivo a zonas específicas del reactor debe mejorar enormemente el control del reactor y su operación, así como incrementar la vida de operación de la membrana proporcionando una temperatura más uniforme y tensiones térmicas reducidas, una causa de falla de membrana. Los medios de control incluyen sensores de temperatura y un microprocesador en un lazo de control de retroalimentación que puede ser utilizado para aplicar técnicas de transferencia de calor para ajustar los niveles de temperatura locales según se desee, similar al control de retroalimentación mostrado en la patente de E.U.A. número 5,547.494. Las técnicas de transferencia de calor descritas en la presente ajustan el calor dentro del reactor, como es opuesto solamente a través de las paredes del reactor, proporcionando así una respuesta más rápida a los establecimientos térmicos. Las disposiciones de purga reactiva se describen en "Reactive Purge for Solid Electrolyte Menbrane Gas Separation", patente de E.U.A. serie número 08/567,699, presentada el 5 de diciembre de 1995. publicación E.P. número 778,069, y se incorporan aquí por referencia. Las configuraciones preferidas para módulos de transporte de ion utilizando una purga reactiva se describen en "Solid Electrolyte lonic Conductor Reactor Design", solicitud de patente de E.U.A. serie número 08/848,204, presentada el 29 de abril de 1997, y también incorporada aquí por referencia. Ambas solicitudes están comúnmente cedidas con la presente solicitud. El proceso total es endotérmico si todo el oxígeno que penetra la membrana es obtenido a partir de H2O o CO2. Un método para lograr un reactor termoneutro se ilustra en la Figura 11. Se agrega O2, preferiblemente en la forma de aire, al lado de cátodo 172 de una segunda membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12'. Los iones de oxígeno penetran la segunda membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno 12' y reaccionan exotérmicamente con metano 174 sobre ei lado de ánodo 176. Esta reacción coloca calor en el sistema, ya que la reacción de oxidación parcial produce calor sin descomposición endotérmica de H2O o C02. A través de los procesos descritos con más detalle más adelante, una primera porción de un producto deseado es recuperada de la primera corriente de producto 36, y una segunda porción del producto deseado es recuperada de la segunda corriente de producto 46. Un producto deseado ilustrativo es gas hidrógeno. La suma de la primera porción, recuperada de la primera corriente de producto, y la segunda porción, recuperada de la segunda corriente de producto, proporciona un total de un producto deseado. La cantidad del producto deseado recibido de la combinación de la primera porción y la segunda porción excede a aquella que se puede obtener ya sea de la corriente de alimentación sola, y particularmente de la segunda corriente de alimentación sola, proporcionando así la producción mejorada del producto deseado. El proceso de la invención se entenderá mejor haciendo referencia en las Figuras 2 a 7. Haciendo referencia a la Figura 2, una primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 es suministrada a un primer recipiente de reacción 20 en el lado de cátodo 14 de un reactor de transporte de iones 10. Antes de entrar al primer recipiente de reacción 20, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno preferiblemente es calentada a una temperatura en la escala de aproximadamente 600°C a aproximadamente 1200°C, muy preferiblemente alrededor de 900°C. Se pueden emplear cualesquiera medios adecuados para calentar la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18, pero de preferencia, para utilizar eficientemente el calor generado por las reacciones exotérmicas que ocurren en el segundo recipiente de reacción 24, un cambiador térmico 48 térmicamente acopla la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 de entrada y la segunda corriente de producto 46. En una primera modalidad, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 incluye vapor que parcialmente se disocia a iones de hidrógeno y oxígeno al contacto con la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12. Los iones de oxígeno elemental son transportados a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 hacia el lado de ánodo 16. La primera corriente de producto 36, conteniendo gas hidrógeno y agua no disasociada, se enfría a través de cualquier medio de enfriamiento adecuado, de preferencia un cambiador térmico 50 que normalmente está acoplado con la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno de entrada 22. Una primera corriente de producto de temperatura reducida 36' después es suministrada a cualquier aparato efectivo para separar la mayor parte del agua 57 del gas hidrógeno. Se puede utiliza un coalescedor 52. Una primera corriente de producto de gas hidrógeno substancialmente pura 36" además se seca a través de cualquier medio adecuado tal como secado de adsorción 54 dando como resultado una primera porción aislada 56 del producto deseado, en esta modalidad, hidrógeno, y una corriente de desperdicio 59. La primera porción aislada del hidrógeno 56 puede ser producida a altas presiones suministrando vapor como la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 a presiones relativamente altas del orden de 10 a 50 barias. En una modalidad alternativa, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 puede ser dióxido de carbono, en cuyo caso la primera porción aislada es monóxido de carbono. En otra modalidad alternativa, la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 puede ser un contaminante tal como Nox, en donde x típicamente es de 0.5 a 2. En esta modalidad, la primera porción aislada 56 es gas nitrógeno que no tiene el valor económico del gas hidrógeno o monóxido de carbono. Sin embargo, esta modalidad alternativa tiene valor, ya que puede remplazar procesos de control de contaminación que podrían ser necesarios para remover Nox y agregar un valor adicional suministrando oxígeno elemental al segundo recipiente de reacción 24. Cada una de las modalidades alternativas descritas anteriormente utiliza, como una primera corriente de alimentación donadora de oxígeno, una molécula que contiene oxígeno que se disocia en el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12 y transporta iones de oxígeno en el lado de ánodo 16 para reaccionar dentro del segundo recipiente de reacción 24. También provista en el segundo recipiente de reacción 24 está una segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 que, dependiendo del producto deseado, es ya sea un reactivo que contiene hidrógeno, un reactivo que contiene carbono, o una combinación de estos. Preferiblemente, la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 es un hidrocarburo ligero de la forma CxHy, en donde x es de entre 1 y 5. Muy preferiblemente, la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 es gas natural, ya sea de cabezal de pozo o comercialmente producido, que contiene una cantidad substancial de metano o gas metano. También se pueden agregar agua y dióxido de carbono a la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno, particularmente si se desea formar gas de síntesis. La segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22 preferiblemente se calienta antes del suministro al segundo recipiente de reacción 24. El acoplamiento térmico, a través de un cambiador térmico 50 con la primera corriente de producto 36, es un medio ilustrativo para calentar la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno. La segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno precalentada 22' después es suministrada al segundo recipiente de reacción 24, en donde una reacción de oxidación parcial exotérmica: (3) CH4 + 1/2O2 => CO + 2H2, forma gas de síntesis. La segunda corriente de producto 46 sale del segundo recipiente de reacción y preferiblemente se enfría a través de cualquier medio adecuado, tal como a través de acoplamiento térmico a través del cambiador térmico 48 hacia la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno. Ya que se prefiere optimizar la producción de gas hidrógeno, la integración de la membrana de transporte de ion 12 con procesos seleccionados produce ya sea una producción de producto deseado mejorada o un proceso más económico. Como se muestra en la Figura 3, la segunda corriente de producto 46 puede ser provista a un combustionador 58, en donde la segunda corriente de producto es encendida en presencia de aire 63 para generar calor 65. Este calor puede ser utilizado para calentar otras partes de proceso u otros procesos, para generar vapor, o para producir energía eléctrica. Ya que en ningún producto químico es necesario en el lado de ánodo para esta modalidad, se pueden utilizar combustibles de baja calidad como la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno. Si se desea incrementar al máximo la producción de hidrógeno, entonces un separador de hidrógeno 60, mostrado en líneas esquemáticas, puede recibir la segunda corriente de producto antes de suministrar al combustionador 58 para generar la corriente de hidrógeno 61. Los separadores de hidrógeno adecuados 60 incluyen dispositivos PSA y membranas de transporte de ion selectivas de protón que se describen con detalle más adelante. El escape 62 del combustionador 58 puede ser enfriado a través de cualquier medio adecuado, tal como el cambiador térmico 64. El agua libre 67 es removida de gas de escape frío 62', que después es secado tal como a través del coalescedor 66. El gas de escape agotado de agua libre 62" además es purificado para recuperar dióxido de carbono 71. La purificación adicional puede ser a través de un equipo de proceso de amina 68, el cual también genera una corriente de desperdicio 69. Una modalidad alternativa que Incrementa al máximo la producción de gas hidrógeno se ilustra en la Figura 4. La segunda corriente de producto 46 es suministrada a un primer reactor de desplazamiento de agua-gas 70. Con la adición de vapor 73, ocurre la siguiente reacción: (6) CO + H20 => C02 + H2. La reacción de desplazamiento de agua-gas es exotérmica y el calor en exceso de la reacción puede ser removido a otras porciones del proceso. Opcionalmente, un segundo reactor de desplazamiento de agua-gas 72, mostrado en forma esquemática, secuencialmente puede seguir al primer reactor de desplazamiento de agua-gas 70 y la reacción de desplazamiento de agua-gas conducida en dos etapas, ya que la reacción tiene una velocidad más alta a temperaturas más altas y una conversión de equilibrio más alta a temperaturas más bajas. El producto de reacción de desplazamiento de agua-gas 74 después es enfriado, tal como a través del cambiador térmico 76 y se separa a dióxido de carbono 75 y gas hidrógeno 79. La purificación de dióxido de carbono puede ser a través de cualquier medio adecuado tal como utilizar un equipo de proceso de amina 68a, que genera la corriente de desperdicios 77. Cualquier separador de hidrógeno adecuado 60a tal como PSA o una membrana de conducción de protones puede ser utilizado para recuperar gas hidrógeno 79. La salida de separador de hidrógeno 76 contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono y tiene un valor significativamente caliente. La salida del separador de hidrógeno 76 puede ser enviada hacia un combustionador para recuperar el calor o para generar vapor para el proceso o recircularse para otro proceso, tal como hacia la segunda corriente de aceptación de oxígeno 22. La salida de separador de hidrógeno 76 puede ser removida hacia la segunda corriente de producto 46 sí el contenido de hidrógeno y CO de la producción fuera suficientemente alto.

Haciendo referencia de regreso a la Figura 2, cuando se utiliza vapor como la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18, y metano como la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22, la relación de hidrógeno o monóxido de carbono en la primera corriente de producto combinada 36 y la segunda corriente de producto 46 alcanza la relación de 3/1 disponible en la reformación de metano de vapor convencional. Si se utiliza dióxido de carbono como la fuente de oxígeno, la relación de hidrógeno/monóxido de carbono alcanza una relación de 1/1 disponible en la reformación de metano de dióxido de carbono convencional. Esto permite un excelente control de relación estequiométrica en el gas de producto entre los dos límites controlando la relación de entrada de vapor a dióxido de carbono y la entrada de flujo de aire al lado de cátodo 14 dei reactor de transporte de iones 10. Estas relaciones también pueden ser cambiadas substituyendo otro hidrocarburo por metano, sin embargo, las ventajas económicas generalmente se puede esperar que se reduzcan, ya que el metano se considera como un hidrocarburo menos costoso. Haciendo referencia a la Figura 5, la segunda corriente de producto 46 entonces puede tener el hidrógeno 81 removido a través del separador de hidrógeno 60b y el monóxido de carbono 83 purificado a través de adsorción, penetración o destilación 78. El hidrógeno producido y el monóxido de carbono producido, después pueden ser mezclados a cualquier relación deseada para cualquier aplicación que se desee ya que se obtuvieron en forma separada. Esta modalidad requiere de la entrada de calor que puede ser obtenido a partir de cualquiera de los procesos de generación de calor aquí descritos. Si no se requiere hidrógeno adicional y el dióxido de carbono es un producto deseado, un segundo reactor de transporte de ion 80 se ilustra en la Figura 6, y puede ser utilizado. La segunda corriente de producto 46 es suministrada al lado de ánodo 82 de la membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno 84. Un gas donador de oxígeno, tal como aire, es provisto como una corriente de alimentación 86 hacia el lado de cátodo 88 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 84 y se genera una corriente agotada de oxígeno 95. El oxígeno elemental 30 desasociado de la corriente de alimentación 86 es transportado a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno y proporciona iones de oxígeno a la segunda corriente de producto 46. En una reacción exotérmica, el monóxido de carbono contenido dentro de la segunda corriente de producto 46 es convertido a dióxido de carbono. La corriente que contiene dióxido de carbono después es enfriada tal como a través del cambiador térmico 92 y se remueve la humedad 85 tal como a través del coalescedor 66c. El dióxido de carbono además se purifica y/o se seca, tal como utilizando el equipo de proceso de amina 68c y el producto dióxido de carbono 89 recuperado mientras que la corriente de desperdicio 87 típicamente es desechada.

Si la salida 90 del lado de ánodo 82 del segundo reactor de transporte de ion 80 va ha ser convertida a gas de síntesis, entonces la salida 90 es procesada de acuerdo con la Figura 7. La salida primero es enfriada, tal como a través de un cambiador térmico 94 y la humedad 91 es removida tal como a través del coalescedor 66d. Un secador 54d remueve substancialmente toda el agua libre restante 92 y el dióxido de carbono 93 después es removido ya sea como un producto de desperdicio o como un producto deseado a través de un purificador de dióxido de carbono tal como con el equipo de proceso de amina 68d. El separador de hidrógeno 60d produce una corriente de gas hidrógeno 97 como un producto de salida. El purificador de monóxido de carbono 78 genera una salida de monóxido de carbono 101 y una corriente de desperdicio 99. Las Figuras 3, 4 y 7 ilustran un separador de hidrógeno como una unidad, separada del reactor de transporte de ion. Está dentro del alcance de la invención integrar el separador de hidrógeno con el reactor de transporte de ion como se ilustra en las Figuras 8 y 9 para formar un reactor combinado 96. El reactor combinado 96 tiene una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno tubular 106 con un lado de cátodo 107 y un lado de ánodo 180. Un primer recipiente de reacción o cámara 20 recibe una primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18' a través de un conducto 103, y el oxígeno elemental 102 disociado de esta primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18 es transportado a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106 hacia un segundo recipiente de reacción 24', que se define por la coraza externa 115 y está en comunicación de fluido con el lado de ánodo 108 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106 y el lado de ánodo 98 de una membrana de conducción de protones 100. El hidrógeno elemental 104, análogo al oxígeno elemental definido anteriormente, es hidrógeno no combinado con ningún otro elemento de la tabla periódica. El hidrógeno elemental está disociado en el lado de ánodo 98 de la membrana de conducción de protones 100 y transportado a través de la membrana de conducción de protones como iones de hidrógeno (protones). Los protones son acumulados en un tercer recipiente de reacción 109, en donde se combinan para formar gas hidrógeno como un producto de salida 113. La membrana de conducción de protones 100 es cualquier material adecuado, tal como materiales a base de paladio y cerámica, que selectivamente conducen ya sea hidrógeno o protones, tal como materiales a base de paladio y cerámica. El Cuadro 2 presenta varios ejemplos de cerámica de conducción de protones aplicable en el reactor de transporte de ion/protón integrado 96. Estos materiales pueden estar en contraste con aquellos establecidos en el Cuadro 1 y en las patentes de E.U.A. Nos. 5,702,999 (Mazanec et al.). 5,712,220 (Carolan et al.) y 5,733,435 (Prasad et al.).

CUADRO 2 Materiales Conductores De Protones En el reactor combinado 96, tanto la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106 como la membrana de conducción de protón 100 preferiblemente son conductores compuestos, pero se pueden unir electrodos externos y un circuito externo para conducir los electrones, si es necesario. Cuando la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno 18' es vapor, el oxígeno elemental 102 es transportado a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106 y el hidrógeno permanece dentro de la primera corriente de producto 36'. El hidrógeno puede ser separado de la primera de corriente de salida 36' a través de cualquiera de los procesos descritos anteriormente o combinarse con la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno 22' y removerse a través de la membrana de conducción de protones 100. El transporte de iones de hidrógeno desde el segundo recipiente de reacción 24' hacia el tercer recipiente de reacción 109 desplaza la relación H2/CO en el segundo recipiente de reacción hacia monóxido de carbono e incrementa la conversión de metano. La conversión casi completa de metano es posible utilizando el reactor combinado 96. La salida 110 que sale del segundo recipiente de reacción 24' consiste principalmente de monóxido de carbono con algo de hidrocarburos no convertidos, hidrógeno, vapor y dióxido de carbono. Cada uno de estos productos puede ser recuperado utilizando los procesos anteriormente descritos. En algunas modalidades, es deseable proporcionar un gas de barrido 117 al tercer recipiente de reacción 109 a través de un conducto 119 como se muestra en las Figuras 8 y 9. Las velocidades de flujo relativas a través de las membranas 100 y 106 determinan el número de tubos que serán utilizados para cada tipo de membrana; se prefiere un número impar, en donde los flujos relativos difieren según comparado con la salida deseada total del reactor combinado 96. Un proceso alternativo para utilizarse con el reactor combinado 96 es alimentar un vapor y una corriente de aire entre las dos membranas 100 y 106 hacia el segundo recipiente de reacción 24'. En esta configuración, ambos productos de disociación de agua, hidrógeno y oxígeno, podrían pasar a través de las membranas. El hidrógeno podría ser removido a través de la membrana de conducción de protón o permeable al hidrógeno 100 y el oxígeno podría ser removido a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106, con la superficie externa 108 actuando como el lado de cátodo y la superficie interna 107 actuando como el lado de ánodo. Es muy difícil establecer una condición de operación, especialmente la temperatura, a la cual ambas membranas 100 y 106 efectivamente funcionan cuando se forman de materiales diferentes. Por lo tanto, en una modalidad, ambas membranas pueden ser formadas a partir de un material de membrana individual que sea permeable tanto al hidrógeno como al oxígeno. Un material ilustrativo es un electrolito a base de BaCe03. El uso de un material individual para ambas membranas elimina los problemas tales como interacción de material y expansión térmica dispareja. En esta modalidad, es posible impulsar eléctricamente la conducción, ya que los iones H* y O"" podrían pasar a través de diferentes membranas en sistemas eléctricamente impulsados. La corriente de entrada de vapor puede estar sobre el lado de cátodo 108 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 106 y el lado de ánodo 98 de la membrana de conducción de protones 100. En el paralelo, separado de cada configuración de tubo ilustrada en la Figura 9, la corriente de aceptación de oxígeno (CH4) típicamente está en el lado de coraza de los tubos de membrana permeables al oxígeno y los tubos de membrana permeables al hidrógeno separados. Como otra alternativa, si la corriente de donación de oxígeno es vapor, esta corriente de vapor puede estar sobre el lado de coraza. En otras construcciones, las membranas 100 y 106 se forman como placas paralelas, separadas o tubos concéntricos. La Figura 10 ¡lustra esquemáticamente un flujo del proceso 112 que incrementa al máximo la salida de hidrógeno. Los constituyentes de formación incluyen agua 114 que se convierta a vapor por el hervidor 116 para generar una corriente de vapor 159, la cual además es calentada en el cambiador térmico 118. Una segunda entrada es metano 120 y una tercera entrada es aire 122. El agua 114, en la forma de vapor, es suministrada hacia el recipiente de cátodo o cámara 124 de un primer reactor de transporte de iones 126 que tiene una membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno 12. En el lado de cátodo 14 de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12, el vapor es disociado en hidrógeno y oxígeno elemental 30. Una mezcla 128 del vapor no disociado y el gas hidrógeno a temperaturas elevadas es regresada al cambiador térmico 118, en donde se libera una porción del calor contenido. La mezcla enfriada es suministrada al separador 130 y el agua 132 es regresada al hervidor 116 para ser combinada con el agua de entrada 114 para generar la corriente de vapor 159. La porción de hidrógeno 134 es recuperada como producto. El metano 120 es suministrado al recipiente de ánodo o cámara 136 del primer reactor de transporte de ¡on 126, en donde reacciona con los iones de oxígeno. La cantidad máxima de hidrógeno es producida en la cámara de cátodo 124 impulsando la reacción de oxidación en la cámara de ánodo 136 lo más rápidamente posible, de manera que la salida de la cámara de ánodo 136 es una mezcla de vapor, dióxido de carbono y metano sin reaccionar. La corriente de salida 142 puede ser combinada con metano adicional 120 y suministrada al lado de ánodo 144 del segundo reactor de transporte de ion 146, en donde la corriente de salida se combina con oxígeno para formar bases de combustión 154 que son utilizadas para proporcionar calor para las reacciones de reformación endotérmica en el primer reactor de membrana de transporte de ion 126. Después de salir del primer reactor de transporte de ion, los gases de combustión 138 pueden ser ya sea procesados para recuperar dióxido de carbono o, alternativamente, pueden ser utilizados para impulsar la turbina de gas 140 para generar energía eléctrica como un subproducto y/o proporcionar calor adicional para el cambiador térmico 118. La entrada de aire 122 hacia el segundo reactor de transporte de ion 146 es calentada por el cambiador térmico 118 y provista en el lado de cátodo 148 en donde una porción del oxígeno 30' contenido en el aire 122 es disociada y transportada a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno 12'. El aire agotado de oxígeno 150 es empleado a través de la liberación de una porción del calor contenido en el cambiador térmico 118. El gas nitrógeno 152 puede ser recuperado si suficiente oxígeno ha sido removido por la membrana de transporte de ion 12'. Ya que el proceso 112 es predominantemente exotérmico, el agua de enfriamiento 156 es utilizada para regular la temperatura del cambiador térmico 118. La regulación se controla automáticamente en una modalidad a través de un microprocesador, el cual recibe los datos de temperatura a partir de uno o más sensores dispuestos en el sistema 112. En una construcción alternativa, Figura 10A, una corriente 128a de vapor no disociado y oxígeno de la cámara de cátodo 124 del primer reactor de transporte de ion 126 Figura 10, es dirigida a un separador de membrana de hidrógeno 160. Figura 10A, teniendo una membrana Pd o membrana de conducción de protón 162. El calor es recuperado de la corriente de penetración de hidrógeno 163 en una porción del cambiador térmico 118a (teniendo otras corrientes pasando a través del mismo tal como se muestra en la Figura 10) para producir el vapor de producto de hidrógeno enfriado 165. La corriente de retención rica en vapor 161 también dona calor a través del cambiador térmico 118a y es comprimida por el soplador 164, de manera que la presión de la corriente comprimida 166 es equivalente a la presión de la corriente de vapor 159a. En esta construcción, el separador 160 reemplaza al separador 130 y las corrientes 132, 134 de la Figura 10. En otra construcción más (no mostrada), el separador 160 está colocado corriente abajo del cambiador térmico 118, Figura 10, para reducir la temperatura de la corriente 128a. El separador 160 preferiblemente está dispuesto con relación al cambiador térmico 118 para optimizar la temperatura de operación de la membrana 162. Se reconoce que las membranas de transporte de ion y las membranas de transporte de protones de la invención pueden tener cualquier configuración deseada incluyendo tubos, placas y canales rectos. Además, las velocidades de flujo pueden ser mejoradas a través de la incorporación de catalizadores, revestimientos de superficie o capas porosas con las membranas. Los catalizadores tales como platino o paladio, o cualquier otro catalizador activo para la oxidación H2 pueden ser utilizados para la disociación de H20. Así mismo, un catalizador activo para la oxidación de CO será activo para la disociación de CO2. También pueden ser adecuados los catalizadores de reformación estándares para algunas aplicaciones. Los aspectos específicos de la invención se muestran en uno o más de los dibujos sólo por conveniencia, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Las modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en la técnica y están destinadas ha ser incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para generar una producción mejorada de producto deseado a partir de un reactor de transporte de iones, que comprende: a) proveer al reactor de transporte de ion, teniendo una membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno dispuesta en el mismo, con un lado de cátodo y un lado de ánodo; b) suministrar una primera corriente de alimentación de donación de oxígeno conteniendo el producto deseado en un estado químicamente unido a una primera presión parcial de oxígeno a dicho lado de cátodo, mientras simultáneamente se suministra una segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno al lado de ánodo para establecer una segunda presión parcial de oxígeno en el lado de ánodo; c) operar el reactor de transporte de iones con la membrana de transporte de iones selectiva de oxígeno a una temperatura elevada suficiente para facilitar el transporte de ¡on de oxígeno a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno: d) transportar el oxígeno elemental obtenido de la primera corriente de alimentación a través de la membrana de transporte de ion selectiva de oxígeno para que reaccione con la segunda corriente de alimentación; y e) recuperar la primera corriente de producto conteniendo una primera porción del producto deseado a partir del lado de cátodo, y recuperar una segunda corriente de producto del lado de ánodo.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera presión parcial de oxígeno es mayor que la segunda presión parcial de oxígeno.

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la primera corriente de alimentación de donación de oxígeno comprende por lo menos un componente seleccionado del grupo que consiste de NOx, vapor de agua, dióxido de carbono y combinaciones de los mismos, y en donde la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno comprende por lo menos un componente seleccionado del grupo que consiste de reactivos que contienen hidrógeno, reactivos que contienen carbono y combinaciones de los mismos.

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la segunda corriente de alimentación de aceptación de oxígeno contiene hidrógeno en un estado químicamente unido y la segunda corriente de producto contiene una segunda porción del producto deseado, en donde la suma de la primera porción mas la segunda porción provee un total del producto deseado, por lo que el porcentaje de conversión al producto deseado a partir de la combinación de la primera porción y la segunda porción excede a aquel que se puede obtener a partir de la segunda corriente de alimentación sola, proveyendo así dicha producción mejorada del producto deseado.

5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque incluye además separar el hidrógeno, como dicho producto deseado, a partir de por lo menos una de la primera porción y la segunda porción.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque incluye además calentar la primera corriente de alimentación de donación de oxígeno a una temperatura elevada antes de suministrar la primera corriente de alimentación a lado de cátodo.

7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque incluye además hacer pasar por lo menos una fracción de la segunda porción a través de un cambiador térmico con el fin de proporcionar el calor recuperado de la segunda porción, y hacer pasar el calor recuperado hacia la primera corriente de alimentación donadora de oxígeno con el fin de calentar la primera corriente de alimentación.

8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye además calentar la membrana de transporte de ¡on selectiva de oxígeno a una temperatura elevada en un exceso de 500 °C.

9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque incluye además la combustión de por lo menos un porcentaje de la segunda porción de producto y utilizar el calor generado a través de dicha combustión para calentar la membrana de transporte de iones

10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque incluye además suministrar la segunda corriente de producto a un primer reactor de desplazamiento de agua-gas a una primera temperatura.