CN1131096C - 带有陶瓷膜的合成气体反应器 - Google Patents

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Abstract

放热反应和吸热反应在一反应器中进行热结合，该反应器具有至少一个氧选择性离子迁移膜，该膜用含氧气体如空气中的氧提供放热反应。吸热反应的热需要量由放热反应来满足。根据所采用的反应器设计，放热反应和吸热反应可以气态地结合。

Description

带有陶瓷膜的合成气体反应器
本发明涉及用于制备产品气体，如制备合成气或不饱和烃的方法，该方法是利用放热的部分氧化反应和吸热的蒸汽转化反应的结合。更具体的是，经氧选择性离子迁移膜组件迁移的方法，获得用于放热反应的氧，且放热反应产生的热供给吸热反应。
天然气和甲烷，天然气的主要成分难于经济地输送，且不容易转化为更容易包装和运输的液体燃料，如甲醇、甲醛和烯烃。为便于运输，将甲烷典型地转化为合成气(syngas)，它是甲烷转化为液体燃料的一种中间体。合成气是氢和一氧化碳的混合物，H2/CO的摩尔比为约0.6-约6。
将甲烷转化为合成气的一种方法是蒸汽转化。甲烷同蒸汽反应，并吸热地转化为氢和一氧化碳的混合物。维持该吸热反应的热量是由外部的燃料燃烧来提供。这种方式的蒸汽转化反应是：
(1)                        
在部分氧化反应中，甲烷与氧起反应，并按放热反应转化为合成气。这种方式的部分氧化反应是：
维持蒸汽转化反应和部分氧化反应都是昂贵的。在蒸汽转化中，为提供延续吸热反应的热量，需要大量燃料。在部分氧化反应中，为提供驱动反应所需的氧，必须耗费大量的能量和投资。
麦扎奈克(Mazanec)等人的美国专利5,306,411，本文将其全部援引作为参考，它公开了用部分氧化和蒸汽转化法生产合成气，其中获得氧的方法包括经氧选择性离子迁移膜组件迁移，且两种反应都在阳极或膜的渗透侧进行。该膜组件传递氧离子具有无限选择性，它置于典型为空气的含氧给料流体，和典型含甲烷的耗氧产物或清洗流体之间。
“氧选择性”意味氧离子穿过膜迁移的输送优于其它元素及其离子。膜组件由无机氧化物，典型由钙或钇稳定的氧化锆，或具有氟石或钙钛矿结构的类似氧化物制成。
提高温度时，通常超过400℃，膜组件含有可流通氧离子的空穴，它提供使氧离子穿过膜组件选择性迁移的传导位置。穿过膜组件的迁移，靠横跨膜的氧分压(PO2)比推动：O--离子由高PO2侧流向低PO2侧。
O2到O--的离子化作用在膜组件阴极侧进行，然后离子迁移穿过膜组件。O--离子然后结合成氧分子，或与燃料反应同时释放e-电子。对于只呈现离子传导性的膜组件，外部电极置于膜组件表面，电流经外部电路返回。如果膜具有离子的以及电子的传导性，电子经内部迁移到阴极侧，于是完成一个电路且不需要外部电极。
麦扎奈克等人的‘411专利，公开了使含氧气体与氧选择性迁移膜组件的阴极侧接触。工艺气流如甲烷和蒸汽，沿着膜组件的阳极侧流动。在部分氧化反应中，迁移的氧与甲烷起放热反应，生成一氧化碳和氢。同时，部分氧化反应释放的热量，能使甲烷和蒸汽进行吸热反应产生另外的氢和一氧化碳。为促进该反应，典型提供一种转化催化剂。然后采用费-托法或在随后的处理中采用其它化合物，可以使合成气转化成甲醇或其它液体燃料。
麦扎奈克等人的‘411专利同时公开了这一事实，由放热的部分氧化反应产生的热量，可以用于维持离子迁移膜组件的温度，而不采取措施从反应器中除去多余的热量。另外，虽然部分氧化和蒸汽转化反应最好在高压条件下进行，但麦扎奈克等人没公开支持高压的反应器设计或密封结构。
格兹曼(Gottzmann)等人1997年4月29日提出的，题目为“固体电解离子传导器反应器设计”，系列号为08/848,204共同拥有美国专利申请，本文全部援引作为参考，它公开了将放热部分氧化反应产生的热量，在含氧给料气体送往氧选择性离子迁移膜组件阴极侧之前，用于加热该给料气体。该08/848,204号申请也公开了，采用热传导屏蔽管围绕膜组件，以增强热传导同时保持气体的隔离。1995年12月5日提出的，美国申请系列号08/567,699，欧洲专利公开号778,069，题为“固体电解膜气体分离的反应性清洗”一文，公开了反应性清洗装置，本文也援引作为参考。两个申请与本申请为共同拥有。
鲁尔(Ruhl)等人的美国专利5,565,009和5,567,398，本文将其全部援引作为参考，它公开了制造合成气的方法，包括在置于管壳反应器壳侧的催化剂床中进行甲烷的蒸汽转化。提供延续转化反应所需热量的方法，包括在管内燃烧燃料，其中燃料和氧给料(空气)分别加热，且他们达到其自动燃烧温度后才结合。鲁尔等人公开的反应器流路设计成这样一种方式，燃烧产物以及吸热反应产物在出炉之前冷却。公开的设计允许在燃烧管与管板连接的地方，采用较低温度密封件。
然而，对利用氧选择性离子迁移膜组件制备合成气体和不饱和烃的反应器，尚需要求操作可以在压力大于150磅/平方英寸表压，和温度800℃-1100℃条件下进行，并需要有措施，补偿因加热，和因操作和过渡周期膜组件摄取和释放氧，所引起的膜组件尺寸变化。此外，反应器应保持膜组件温度在规定的范围之内，方法是仔细平衡反应和其它冷源或热源的热量，以及将放热反应的热量有效传递给吸热反应和其它冷源。也应当增加安全性，方法是减少易燃工艺气体或产品气体高压泄漏进入含氧流体的危险。
本发明的目的因此是，提供一种制备合成气的方法，方法是既利用放热反应也利用吸热反应，其中反应或是平衡的或适合产生少量余热。
本发明的另一个目的是，控制放热反应和吸热反应，方法包括控制向各反应提供气体的流速、组成和/或压力。这些气体包括含氧给料气体、燃料气体和蒸汽或二氧化碳。优选要达到进一步控制放热反应，方法包括控制局部催化活性，以及局部控制工艺气体组成。
本发明还有另一个目的是，可以单独控制放热和吸热反应，方法包括选择性引进热传导屏蔽管，它使反应隔离，同时允许反应器内反应之间的热量有效传递。
本发明还有另一个目的是，降低密封件所承受温度，以及降低管与隔离反应器内部含燃料空间的管板密封件的压差。这在一个实施方案中实现，方法包括采用两级密封，并在两级密封之间配置一种压力略高于反应侧压力的缓冲气体，如蒸汽。于是，任何经第一级密封的泄漏就是进入反应侧的蒸汽，而经第二级密封的泄漏就是进入含氧气体的蒸汽。
一方面，本发明包括在反应器中制备产品气体的方法，该反应器装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件。氧选择性离子迁移膜组件具有阴极侧和阳极侧。该方法包括如下步骤：
(1)使含氧气体按起始方向沿阴极侧流动，并经氧选择性离子迁移膜组件使渗透氧部分迁移到阳极侧；
(2)使第一工艺气体，也使第二工艺气体与含氧气体隔离，因此，至少第一工艺气体沿阳极侧流动，且第一工艺气体既可以同氧起放热反应，也可以同第二工艺气体起吸热反应；
(3)使氧部分同第一工艺气体起放热反应，和使第一工艺气体同第二工艺气体起吸热反应；和
(4)对放热反应、吸热反应和反应器内部热传导中的至少一个进行控制，以使氧选择性离子迁移膜温度维持在规定的范围内。
在第一方面的优选实施方案中，放热反应是部分氧化反应，吸热反应是蒸汽转化反应。含氧气体是空气，第一工艺气体是轻烃如甲烷，或轻烃、氢和一氧化碳的混合物，而第二种工艺气体或是蒸汽，或是蒸汽和二氧化碳的混合物。在放热和吸热反应之前，第一工艺气体和第二种工艺气体合并形成气体混合物。
在另一个优选实施方案中，膜组件至少部分阳极侧涂覆催化剂层，以在阳极促进氧和燃料气体之间的氧化反应。催化剂床沿着氧选择性离子迁移膜的至少部分阳极侧放置。要选择该催化剂能够促进蒸汽、二氧化碳和燃料气体之间的吸热反应。在另一个优选实施方案中，用一种热传导的不透气的部件使第二工艺气体与第一工艺气体分开。第一工艺气体流过氧化通道，并与渗透氧起放热反应，而第二工艺气体和另外的第一工艺气体流过转化通道。
转化通道优选装填能促进吸热反应的催化剂。催化剂床的局部活性，要选择性地适合于，在床边缘附近产生放热和吸热反应温度间的正平衡，而在床中心产生中性平衡。更优选，催化剂的活性朝着床的中部和出口端以降低的速度逐级增加。
本发明第二个方面，利用这种方法在反应器内制备氢和一氧化碳的混合物(合成气)，反应器内装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件。该氧选择性离子迁移膜组件具有阴极侧和阳极侧。在本发明的第二方面中，该方法包括如下步骤：
(1)使空气按起始方向沿阴极侧流动，并使渗透氧部分经氧选择性离子迁移膜组件迁移到阳极侧；
(2)使轻烃如甲烷和蒸汽的气态混合物沿阳极流动；
(3)使第一部分轻烃同渗透氧起放热反应，同时使第二部分轻烃同蒸汽起吸热反应；和
(4)对放热反应、吸热反应和反应器内部热传导中的至少一个进行控制，以使氧选择性离子迁移膜温度维持在规定的范围内。
在该方法优选实施方案中，蒸汽向反应器输送压力比甲烷向反应器输送压力高。通过蒸汽和甲烷进口的适当定位，蒸汽起缓冲作用，防止易燃甲烷从反应器泄漏并进入反应器内含氧空间。典型地，蒸汽向反应器输送压力比甲烷向反应器输送压力大1-20磅/平方英寸表压。
本发明的第三方面，是提供一种反应器，它有一个限定气密腔的空心壳体。第一个管板放在气密腔内，并限定第一室和第二室。在气密腔内有至少一个反应管。反应管的第一部分与第一管板是固定连接且基本上是气密封接，其开口通向第一室，其余部分轴向上无束缚，且氧选择性离子迁移膜置于反应管的第一端和第二端之间。
此外，反应器包括第一工艺气体进口，用于将第一工艺气体以第一压力送往气密腔，第二工艺气体进口用于将第二工艺气体以第二压力送往气密腔，空气进口用于将含氧空气以第三压力送往气密腔，而多个出口用于从气密腔排出产品气体和反应的气体副产物。
在一优选实施方案中，反应器的反应区有效地将氧从其内侧阴极表面选择性迁移到其外侧阳极表面，且氧化增强催化剂选择性置于外侧表面，而转化催化剂置于外表面附近。反应器包括至少一个连接反应管的滑动密封件。反应管的第二端同一个浮动管板相连接，浮动管板是内部集流腔的一部分，内部集流腔由软管或由填密槽型密封件与外壳连接。此外，各个管由短的软管与浮动管板连接。
在另一个优选实施方案中，反应管的第一端在靠近第一管板处是敞开的，而第二端是闭合的。给料管在反应管内由敞开端延伸到与闭合端有一间隔距离，由此，给料管外表面和反应管内表面限定了第一个环隙。典型地，第一环隙其宽度小于给料管内径的一半。
在另一个优选实施方案中，热传导屏蔽管置于反应管外表面附近，而屏蔽管内表面和反应管外表面联合限定了第二个环隙。热传导屏蔽与反应区联合限定了氧化通道，而转化通道置于热传导屏蔽的对面。该转化通道可以用有效促进吸热蒸汽转化反应的催化剂充填。
在另一个变换实施方案中，反应器包括第二个反应管，它与第一个反应管呈基本同轴平行延伸穿过气密腔。此第二反应管其第一端也连接到第一个管板，并与外壳相对固定，其对面第二端与外壳相对可移动，而其第二反应区处于第一和第二端之间。第二反应管第一端是敞开的，对面的第二端是闭合的。第二给料管外表面和反应管内表面限定了第三个环隙。
在优选实施方案中，第一反应管包括氧选择性离子迁移膜，它将外阴极侧氧有效地迁移到内阳极侧，而第二反应管装有转化催化剂。在另一个优选实施方案中，第二工艺气体进口处于第一管板和第一工艺气体进口之间，以大于第一压力的第二压力用于输送选自包括二氧化碳、蒸汽及其混合物的第二工艺气体到气密腔。限流器可以置于第二工艺气体进口和第一工艺气体进口之间。
本发明的其它目的、特征和优点，将由以下优选实施方案和附图说明呈现给本领域技术人员，其中：
图1描绘根据本发明第一个实施方案反应器的截面图；
图2描绘本发明反应器所采用复合反应管的截面图；
图3描绘本发明反应器所采用滑动密封界面的截面图；
图5描绘根据本发明第二个实施方案反应器的截面图；
图6描绘根据本发明第三个实施方案反应器的截面图；
图7-10示意描绘对图6反应器有用的不同气体流型图；
图11描绘根据本发明第四个实施方案反应器的截面图；
图12描绘根据本发明第五个实施方案反应器的截面图；
图13图解描述沿图1所描绘反应器阳极侧长度，工艺气体和产物气体的预期组成；和
图14图解描述沿图1所描绘反应器反应管长度，预期的温度随位置的变化。
可以实现该发明的方法包括，提供一种氧选择性离子迁移膜组件，使氧从含氧气体通过膜组件迁移。在放热的部分氧化反应中，氧同第一工艺气体起放热反应。放热反应产生的热量供给吸热反应，如蒸汽转化反应。
在优选实施方案中，工艺气体是天然气、甲烷或类似轻烃，或轻烃、氢和一氧化碳的混合物，而部分氧化反应和蒸汽转化反应两者都产生合成气。使放热反应和吸热反应或者呈平衡，或者调节成略有余热。为减轻反应器密封件的密封负荷，将一种相对低温的缓冲气体优选置于反应器密封件和工艺气体及产物气体之间。这种缓冲气体是反应的相对非危险成分，如蒸汽和二氧化碳。
图1描绘了根据本发明第一个实施方案用于制备产品气体的反应器10的截面图。虽然典型产品气体是合成气，下述方法和反应器也可以制备其它产品气体，如不饱和烃。本发明同样适用于任何其它过程，这种过程包括需氧的放热氧化反应和吸热反应，如甲烷和其它轻烃氧化脱氢变成不饱和烃。
虽然反应器10被描绘成管壳型反应器，本领域已知的其它反应器也适合于本发明方法。反应器10有一圆筒形壳体12，壳体12由绝缘材料12a与反应器内部高温进行热隔离，因此，它可以由普通结构材料，如钢和不锈钢构成。第一个端帽或头14和第二个端帽或头16，与壳体12气密密封，以限定一个中空腔，且优选也由绝缘材料14a和16a进行热隔离。第一个管板18置于气密腔内，并限定第一室19和第二室20。
第二个管板21可以置于气密腔的第二端，以限定第三室22a。第一个管板18和第二个管板21都与反应器10连接，方法包括如焊接到壳体12、头14和16，或拧到法兰23上。
第一个限流管板或折流板24与反应器固定连接，连接方法如焊接。第一个限流管板24置于第一管板18和第一工艺进口26之间。
浮动管板28置于第二管板21的上方空间22a内，并带有与其相连的头或帽80，构成与含氧气体进口30相连的集流腔空间22。借助使头14与头80密封内接的伸缩软管附件32，浮动管板28对反应器壳体12可相对移动。此外，在连接到头80的进口管线和进口30之间，可以采用填密槽型滑动密封，方法类似于下述图3中管34对管板21和套管52的滑动密封。
至少一根反应管34轴向延伸通过第二室20。反应管34的第一端36固定连接并气密密封到第一管板18。结果，第二室20和第一室19之间的气流只通过反应管34的孔膛。
该反应管对面第二端37轴向上是无限制的。第二端37可以自由浮动，如图5描绘最好的那样，或如图1连接和密封到浮动管板28。任选地，可以采用相当短的软管将第二端37连接到管板28，以便允许如鲁尔(Ruhl)等人美国专利5,567,398中图1A所示单个管膨胀的微小差别。可伸缩软管32与浮动管板28和头80是整体的，构成一个集流腔，将含氧气体，如空气、纯氧或任何其它含有多余1％(体积)氧的气体流体，导向多个反应管34。
反应管34还包括至少第一热传导区39，优选也包括第二热传导区41。反应管34还包括氧选择性离子迁移膜组件40。氧选择性离子迁移膜组件40，可或者以固态混合氧化物致密壁或二相传导器构成，或者优选以支撑在多孔基质上的固态混合氧化物薄膜或二相传导器构成。
优选地，膜片只跨越反应区和小部分热传导区，多孔载体的剩余长度由金属不透气密封层如镍覆盖。多孔基质优选由高温含镍金属合金，如因康镍合金200(Inconel 200)或海纳合金230(Haynes alloy230)，或较高强度陶瓷材料，如矾土、铈土或其混合物制成，其薄膜和多孔基质间的中间多孔层弥补基质和膜之间化学和机械不相容性。例如，索罗古德(Thologood)等人美国专利5,240,480，公开了在多孔载体上的中间多孔过渡层上采用致密混合传导层。优选地，致密膜是在膜片的阴极一侧。
因为，薄的膜片允许较高氧通量，薄的膜片对瞬间叠加的瞬间应力不敏感，因此管子具有较高的强度，以及复合管比致密管使用较少的覆盖膜材料，所以优选采用复合管。因多孔载体对气体传输的扩散阻力，会增加膜载体界面上的氧分压，反应侧多孔载体也减轻阳极侧低氧分压造成的稳定性问题。
氧选择性离子迁移膜组件具有5000微米以下的公称厚度，且优选小于1000微米厚，用于综合实施方案的小于100微米。当保持离子迁移膜表面化学电位差，该电位差是因保持穿过离子迁移膜的正比例氧分压造成的时，在温度为450℃-约1200℃氧分压占优势的条件下，膜组件具有迁移氧离子和电子的能力。优选达到该正比例的方法是，使迁移的氧同耗氧工艺气体反应。氧离子传导率典型为0.01-100S/CM，其中S(西门子)是倒欧姆(1/Ω)。
用作离子迁移膜的适当材料包括，混合导体钙钛矿和二相金属-金属氧化物组合物，如美国专利5,702,959(麦扎奈克等人)、No.5,712,220(卡罗拉(Carolan)等人)和5,733,435(布拉萨得(Plasad)等人)所公开的，本文将其全部援引作为参考。既然氧选择性离子迁移膜阳极侧的反应环境，典型创造了非常低的氧分压，那么可以优选在引用专利中所列举的含铬钙钛矿，因为它们在低氧分压环境中倾向稳定。含铬钙钛矿在非常低氧分压条件下典型不分解。
任选地，一种可能由同样钙钛矿材料制作的多孔催化剂薄层，可以添加到氧迁移膜组件的一侧或两侧，以增强氧的表面交换和表面上的化学反应。此外，氧选择性离子迁移组件表面层，可以用例如钴掺杂，以增强表面交换动力学。
反应管34的第一端36固定连接到第一管板18。与密封区管材相容且提供牢固、气密密封的任何装配方法都可以采用。在如图2所描绘的优选设计中，陶瓷反应管34的第一端42可以金属化，并经钎焊连接到金属套管44，接着金属套管44也经钎焊连接到金属管延伸46，然后金属管延伸经扩展(卷入)或焊接连接并密封到管板18。适合的金属化覆盖层应包括小于50微米厚的镍。用作金属管延伸46的适合材料是因康合金200(Incalloy 200)或海纳合金230(Haynes Alloy 230)。管子组装典型是在约1000℃温度下述行钎焊。在一优选方法中，金属延伸跨越热传导区39和41的大部分，直达局部温度达到约700-800℃的地方，以利用较好的热传导特性和较低的金属成本。在格兹曼(Gottzmann)等人1 997年4月29日提出的、题目为“整体固态电解离子传导器分离器-冷却器”、系列号为08/848,199共同拥有美国专利申请中，公开了这类金属套管44，本文也援引作为参考。若采用金属基质复合管，管端区应当用金属而不是用膜材料覆盖，且管端直接焊接到管板18。
返回参考图1，反应管34延伸穿过第一限流管板24和第二限流管板21。为弥补反应管34因温度造成的轴向尺寸变化及综合变化，滑动密封件48和50将反应管34对管板21和管板24密封。图3和4描绘了滑动密封范例。
参考图3，一个O-型环密封件50，或代之以一个或多个编织或绞合绳密封卷或密封环，被嵌入在管板21形成的盲孔中。套管52使O-型环50对反应管34外壁压紧，以使管34相对于管板21和套管52滑动密封。可以利用内接螺纹56施加挤压力，或代之，套管法兰58可以靠反应器部件(未标出)压紧，或用螺栓紧固到管板21。
此外，如图4所示，O-型环50安装在管板21内适当尺寸的凹槽里。靠O-型环内径和反应管外壁54直径之间相干造成的预压缩作用，实现管板21和反应管34之间密封。
密封区优选保持在约250℃-650℃的中等温度。这样相对低的温度，和滑动密封必须仅靠小压差密封的要求，以及本发明方法允许适度泄漏率的事实，为密封方法的选择创造了相当大的自由度。
用作密封件48和50的合适滑动密封O-型环，包括如本文将其全部援引用作参考的，斯蒂内茨(Steinetz)等人美国专利5,082,293更充分阐述的编织陶瓷纤维、钢压环、膨胀石墨密封件、压缩的Grafoil绳填料(Grafoil是国际UCAR的商标)、高温合成橡胶和氟塑料等。
返回参考图1，反应器10还包括催化剂床62，它在氧选择性离子迁移膜组件反应区65附近，由多孔筛网64支撑。催化剂可以由小球组成，或代之以整块陶瓷构件安装。催化剂床62内所装催化剂如矾土载带的镍，有效地增强甲烷向合成气体的蒸汽转化。催化剂可以装填成整个催化剂床62活性均匀一致，或如下所述优选配置，以在床中间部位获得吸热和放热反应的中性平衡，和在催化剂床62边缘或端部附近获得稍微放热的平衡。开口66用于除去废催化剂并用新鲜材料取代。
为增加反应器的安全性，第一缓冲气体90，本文也称为第二工艺气体，经位于第一工艺气体进口26和第一管板18之间的第一缓冲气体进口72，引进到反应器10。第一缓冲气体90要选择为，一种对反应器内出现的化学反应是非可燃、非危险的促进剂。虽然，可以采用二氧化碳或蒸汽，但优选蒸汽，因为，蒸汽在所要求的应力下可以容易地产生，且为大部分转化作用所需。经第一缓冲气体进口72引进的蒸汽，其压力比经工艺气体进口26引进的燃料气体压力略高。典型地，蒸汽和工艺气体之间的压差应为1-20磅/平方英寸表压，更优选1-10磅/平方英寸表压。蒸汽对滑动密封件48起缓冲剂作用。
既然跨密封件的压差比工艺气体压力和大气压之间的压差小得多，密封件的维修要求就是一般的。此外，既然较高压力是在外侧，O-型密封环附近的任何泄漏都就是简单将额外蒸汽加入到反应器中，且避免了工艺气体或产品气体可能危险地泄漏到含氧空间或反应器以外。因为转化反应也需要蒸汽，故可允许密封件48附近的基本泄漏。换言之，通过第一端36对管板18固定的、基本气密密封，和管板24内滑动密封件48，优选建立了两级密封，其间间隔(室19)经进口72接纳缓冲气体90。
对催化剂床62提供定量蒸汽，用于蒸汽转化反应。经限流孔74蒸汽进入反应区和催化剂床62，要设定限流孔的大小，以便在经常所需蒸汽体积条件下获得1-10磅/平方英寸的压降。既然转化反应速率及转化所需热量取决于可获得的蒸汽体积，那么改变经第一缓冲气体进口72引进的蒸汽量和压力，就可以调节反应器10的热平衡。
第二缓冲气体进口76，优选置于含氧气体进口30和第二管板21之间。第二缓冲气体也优选蒸汽，其功能类似于上述第一缓冲气体。第二缓冲气体经第二缓冲气体进口76引进到反应器10，其压力比经产品气体出口70正在取出的产品气体压力略高。典型地，产品气体和第二缓冲气体之间压差为约1-20磅/平方英寸表压。第二缓冲气体减小施于第二管板21和反应管34之间滑动密封件50上的压差，也减小产物气体泄漏到含氧气体集流腔空间22，或经密封连接进口30泄漏到环境的危险。
当反应器10运行时，含氧气体38按起始方向，如流动箭头77所示，流过含氧气体进口30。由浮动管板28和头80局部构成的集流腔22，使含氧气体30流向至少一个，优选流向多个反应管34。
在氧选择性离子迁移膜组件40上，含氧气体沿阴极侧82流动。含氧气体38内所包含的氧渗透部分84，迁移到阳极侧86。余留部分氧作为贫氧气体87排放。
第一工艺气体88经工艺气体进口26送入反应器10，第二工艺气体经缓冲气体进口72送入反应器10。第一工艺气体选定为既可以同氧进行放热反应，也可以同第二工艺气体进行吸热反应的气体。为制备作为产品气体71的合成气，第一工艺气体优选选自天然气、甲烷、轻烃及其混合物。某些氢和二氧化碳也会存在，特别是如果某些产品气体经部分反应器循环。下面图10讲述了一个包含低品位燃料如第一工艺气体的实施方案。第二工艺气体优选选自蒸汽、二氧化碳及其混合物。放热反应是氧化或部分氧化作用，吸热反应是蒸汽转化作用。
为使第二工艺气体90适当起第一工艺气体88和含氧空间20之间的缓冲剂作用，第二工艺气体90的压力要大于第一工艺气体88的压力。为减小对滑动密封件24的要求，压差优选为约1-20磅/平方英寸表压。维持所需压差的方法可以包括，控制第二工艺气体90进入压力，和控制限流孔74尺寸。
第二工艺气体90流过限流孔74，并同第一工艺气体88混合形成一种气体混合物，它流过折流板92，并由流过区39的贫氧空气87间壁回热式地加热。拆流板92优选放置成基本垂直于反应管34，靠一环隙可滑动地顶着每根管34，并有效地使管际空间气体流向热传导区的外表面，以增强热传导。也优选采用折流板使气体流向反应区的外表面，以增强管际空间气体和转化催化剂之间的均匀接触。
预热的气体混合物进入催化剂床62，在此处部分第一工艺气体88同蒸汽起蒸汽转化反应。另一部分第一工艺气体88同渗透氧部分84起氧化反应，优选起部分氧化反应。蒸汽转化反应是吸热的，部分氧化反应是放热的。调节这两种反应的方法包括，控制两种工艺气体的流速以及控制送到反应器的含氧气体流速。也可以控制反应器10内部热平衡，方法包括如利用如下所述热传导屏蔽隔离部分氧化反应和转化反应。控制放热反应、吸热反应和反应器内部热传导中的一个，以使氧选择性离子迁移膜温度保持在规定温度范围内。该温度优选保持在700℃-1050℃。放热反应产生的热量可以平衡吸热反应所需热量，或更优选，使反应适合产生少量余热。
部分余热用于向含氧空气38供热。另一部分用于向进来的工艺气体88和72供热。剩下的余热用于弥补对反应器周围的热泄漏。加给进来流体的热量，要允许维持离开热流体与进来冷流体之间有效热传导所需的适当温差。选择管际空间折流板92和93的间距以及管内径，以便在加热区91和冷却区96获得间壁热传导所需的适当对流传热系数。
可以采用几种方法控制吸热和放热反应。蒸汽和CO2对燃料的相对含量、局部反应剂和反应产物的分压、催化剂活性、局部温度和其次压力都会影响吸热反应。局部燃料分压和燃料种类，以及含氧气体压力、流速和膜局部温度都会影响放热反应。为提高局部吸热反应速率，额外的蒸汽可以直接喷射入反应器10的选定部分，如射入催化剂床62的中间部分。此外，或者同额外的蒸汽结合，催化剂床62的催化活性逐渐变化，部分床具有较高的再活化速率，有利于吸热蒸汽转化反应。典型地，在反应区进口处催化剂活性应当是低的，在此处反应推动力大，形式为反应剂分压高和反应产物分压低，有利于吸热反应，此后催化活性朝着床中部和另一端出口优选以降低的速率增加，作为反应最后部分的推动力。为加热如经区39进来流体，和冷却如经区41离开流体，内部结合的方法免除了对昂贵的额外高温热交换器的需要。
虽然图1描绘了气体经催化剂床轴向逆流流动，但通过催化剂床62内设置的折流板(未标出)，可以达到横向逆流，以促进混合并减缓单管之间流动不良分布和氧迁移速率不均匀效应。
典型地，第一和第二工艺气体在温度约200℃-500℃条件下送往反应器，而含氧气体在温度约150℃-400℃条件下送往反应器。这可以使滑动密封件48保持在250℃-650℃相对适中的温度。
工艺气体和含氧气体逆流流动，可以使出来流体温度降低到300℃-700℃，再次简化了密封件50的选择，也简化了压力密封壳体部件如管板和头的材料选择，如今它们在更适中的温度环境下操作。
经第二缓冲气体进口76输送的气体，优选也是蒸汽或二氧化碳，用作某些额外第二工艺气体，且优选其压力大于产品气体71的压力。该压差优选为1-20磅/平方英寸表压。此外，氮或其它惰性气体可以经第二缓冲气体进口76输送。这种情况下，第二缓冲气体压力要小于产品气体压力。压差优选还是1-20磅/平方英寸表压。当第二缓冲气体不是反应成分时，其压力降低，防止缓冲气体污染反应器，但还是降低了对滑动密封件48负载的苛求。
图5中描绘了另一种反应器100。反应器100的几个组件类似于上述反应器10的组件。这些类似组件具有类似编号，以上叙述这里也要引用。
反应器100包括一个或多个反应管34，其第一端102是敞开的，第二端104是封闭的。含氧气体38优选是空气，经含氧气体进口30送入反应器。含氧气体38流入反应管34环绕的给料管106。含氧气体38由给料管106第一端108流到第二端110。第二端110离反应管34封闭端104有一间距，以便含氧气体38，流入由给料管106外表面113和反应管34内表面(阴极侧82)所限定的第一环隙112。
优选地，给料管106内径为第一环隙112宽度至少两倍。这种间距减小从第一环隙112气体流向给料管内流动气体的相对热传导。例如，给料管内径若为二分之一英寸，第一环隙宽度为十六分之一英寸，且考虑到给料管和反应管壁高厚度，则反应管外径优选为四分之三英寸到八分之七英寸。给料管106和第一环隙内气体流动是典型层流，或处于层流到湍流的过度形式。在层流中，对流膜系数与水力直径成反比，水力直径即给料管内径，且约为第一环隙间隙的两倍。可以指出，上述条件下，空气到环隙112内流动工艺气体的热传导膜系数，对环隙内空气到给料管内空气的热传导膜系数之比，优选为约5-10，更优选约8。
如上述实施方案，含氧气体38内所含渗透氧部分84，经氧选择性离子迁移膜40迁移到阳极侧86，并用在放热的部分氧化反应。余留部分87经空气出口68排放。给料管106固定连接到第一管板114，而反应管34敞开端固定连接到第二管板116。第三管板118包括反应管34和管板118之间的滑动密封件48，也包含限流孔74。
第一工艺气体88优选天然气，经工艺气体进口26引入反应器100。第二工艺气体90优选蒸汽，在管板118和116之间引入到反应器。第二工艺气体90其压力大于第一工艺气体88的压力，使可燃性第一工艺气体泄漏到含氧气流体中的风险减小。压差优选相对小，为1-20磅/平方英寸表压，以减小密封件48的维修要求。
第二工艺气体90流过限流孔74，并与第一工艺气体88合并。气体混合物通过第一折流板92进入催化剂床62，在此处部分工艺气体同蒸汽催化进行吸热转化反应，而其余大部分工艺气体同氧渗透部分84起放热反应。产品气体71经产品气体出口70回收。
与图1反应器10比较，反应器100具有几个优点。反应器100要求差一点的管板和差一点的滑动密封套件。保留的滑动密封件48可以是非常松的，因为，它们的功能更像限流器，而不像屏障或隔离密封件，缓冲气体(蒸汽)工艺流动方向与泄漏流动方向相同。反应管34封闭端104不受限制，并因此避免了因不准直可能产生的抗弯应力和因摩擦产生的轴向力。与反应器10比较，反应器100的一个缺点是产物气体70的冷却是低效的，因为含氧气体38通过给料管106内径时已经略微温热。与离开合成气反应器10的流体比较，这导致离开反应器100时产品气体更温热一些，贫氧空气94更冷一些。
图1反应器10和图5反应器100的共同特点是，放热反应和吸热反应的反应剂和反应产物是混合的。虽然这种设计优化了从放热反应到吸热反应的热传导，但也会使两种反应的控制和平衡出现某些困难。减轻这种困难的方法包括，隔离吸热反应空间和放热反应空间，同时保持良好的热传导耦合。
在本发明的一个实施方案中，达到这种隔离的方法包括，采用图6截面图所描绘的反应器120。含氧气体38优选空气，经含氧空气进口30送到反应器120。含氧气体38送到气体给料管106的第一端。虽然图6按如下图7-10所述其它管子的设计描绘了单根气体给料管，但与其它管子同样设计的多根气体给料管，典型地组合在同一个反应器中。第一端108固定连接到第一管板114上。反应管34环绕着给料管106。反应管34具有一个固定连接到第二管板116的敞开端102，和一个封闭端104，并延伸穿过第三管板118和管34与管板118之间滑动密封件48。
屏蔽管122环绕置于催化剂床62内部的至少部分反应管34。屏蔽管122是由导热的、不透气材料，如不锈钢、因康镍合金200或适当陶瓷构成。屏蔽管122内壁124和反应管34外壁86(阳极)限定了第二环隙126。
操作中，含氧气体38沿起始方向流过给料管106。在反应管34封闭端104，气体继续流过由给料管106外表面112和反应管阴极侧82限定的第一环隙128。渗透部分84迁移到阳极侧86，贫氧空气经空气出口68排放。
第一工艺气体88，如上所述可以是天然气、甲烷或其它轻烃，经第一工艺气体进口26送入反应器120。缓冲气体90a，如蒸汽，经缓冲气体进口72送入。如上所述，蒸汽其压力优选大于第一工艺气体压力，且更优选，压差为1-20磅/平方英寸表压。
上述实施方案的特征是，蒸汽90a只起缓冲剂的作用。第一工艺气体88流过第二环隙126，并同渗透氧部分84起放热反应，产生第一反应气体130，它是典型合成气，其氢对一氧化碳比为2。
工艺气体和蒸汽的气态混合物132经第二工艺气体进口134引入反应器。置于第一工艺气体进口26和第二工艺气体进口134之间的是不透气隔板，优选为第四管板129。气态混合物132可以任选包括二氧化碳和返回的产物，它由在环隙128中流动的含氧余留气体间壁回热地加热。然后在催化剂床62发生蒸汽转化作用，产生第二反应气体部分136，其氢对一氧化碳比大于第一产物流体130。第二反应气体部分136同第一反应气体部分130会合，经产品气体出口70回收合成气71。
图6描绘的反应器120，在控制各自反应以及调节产物组成方面提供了很大的灵活性。部分氧化反应和转化反应机械地隔开，但保持两个反应之间密切的热传导耦合。这使反应能独立进行且更好控制。隔开反应的其它优点包括可能推动超出部分氧化的氧化反应，以提供产生较高H2/CO比所需的热量，而不牺牲氧迁移膜的温度控制，和因反应侧隔绝氮而不产生过量的NOx，优选所有流体温度保持在1100℃以下。
图7-10描绘了用于图6反应器120的不同气体流动设计。每一实施方案都存在一个氧化通道，氧化通道的一壁是氧选择性迁移膜34a的阳极侧86，而另一壁是给料管106a。氧化反应发生在阳极表面，获得的反应热提供催化剂床62蒸汽转化吸热反应所需的能量。若总体热平衡是放热的，含氧气体和沿反应管34流动的工艺流体温度提高，这就要求这些流体以较低温度进入，以保持膜组件所需操作温度。
参考图7，含氧气体38沿起始方向流动。氧化通道138相应于图6通道128，其中第一工艺气体88，和经床62流过转化通道140的气体混合物沿相反方向流动。氧化通道138的第一出口流体142，其H2/CO比典型为2左右，转化通道140的第二出口流体144，其H2/CO比为约3或更高。按两个平行通道138、140各自给料88、132成比例混合两个出口流体142、144，可以获得所需H2/CO比2-3。比值小于2.4，总体能量平衡是典型放热的，含氧气体38和工艺气体88、132温度的明显上升，作用如同冷源。H2/CO比值更高时，平衡是吸热的且需要额外热量。产生额外热量的方法包括，使某些超出部分氧化作用的氧化反应进行，如加入更多的氧、引入较高温度的含氧气体和工艺气体、或在空气通道内燃烧一些燃料。
图8描绘了氧化通道138和转化通道140的串联设计。第一工艺气体88送入氧化通道138，并接着与渗透氧起放热反应，根据燃料与氧的比值，第一出口流体142含有部分或全部氧化产物。第一出口流体142然后在交点146同第一工艺气体和蒸汽的气体混合物132混合，并送到转化通道140。在产品流体70中获得不同H2/CO比的方法包括，改变两种工艺气体给料流体88、132的比值，和氧化通道138中完全氧化的程度。除为氧化反应提供氧之外，含氧气流38还构成一个冷源或热源用于平衡能量需求。
图9描绘了一种实施方案，其中产品流体随第一工艺气体88返回，以增加氧通量并因此产生热量，因为，返回的产品气体含有一氧化碳和氢，且这些气体同渗透氧的反应比较快。这使阳极侧氧分压降低，并提高氧迁移推动力。氧通量取决于氧从反应管34阴极侧82迁移到阳极侧86的速率。流体148是第一工艺气体88，和产品气体70的一部分152，在交点150汇合的混合物。
此外，第一工艺气体88可以用二氧化碳和蒸汽(图9虚线228)稀释，以减少氧通量。在高氧通量在阳极表面86产生过量热，以致表面温度控制困难的实施方案中，这是有利的。
图10描绘了一个用作纯转化器的流动实施方案，其中转化反应所需能量由新燃烧器提供。该实施方案，氧化通道138的气体不与转化器通道140连通。第一工艺气体88与渗透氧燃烧，产生吸热转化反应所需热量。燃烧产物154由反应器排放。图10所描绘的氧选择性离子迁移膜转化器的优点是，可任选使用低压低品位燃料，氧迁移膜和转化器壁表面温度控制良好，和因反应环境隔绝氮使NOx生成率低，以及贫氧空气87的温度典型低于1000℃。本文所用术语“低品位燃料”系指其燃烧值低于500英制热量单位/立方英尺的气体流体。比较起来，天然气燃烧值典型为900-1000英制热量单位/立方英尺。低品位燃料的一个来源是变压吸附(PSA)尾气，它典型含有低于50％的烃或一氧化碳，该流体大部分是二氧化碳和/或水。
图11和12描绘了其它反应器实施方案，其中给料管由排料管代替，且含氧气体沿同心直管外表面附近管际空间流动。而工艺气体在同心管内部环隙流动。
图11反应器160包括第一排放管162和第二排放管164，两个排放管均固定连接到第一管板114。置于第一排放管162附近的是反应管34，其敞开端穿过第二管板116和管与管板之间的滑动密封件48。反应管34其对面一端是封闭的，其氧迁移膜至少延伸通过反应器的反应区。
置于第二排放管164附近的是转化管166，它由金属或陶瓷材料构成，用于容纳如下所述的蒸汽转化反应。转化管166其敞开端168固定连接到第三管板118，或连接到第四管板202，其对面一端170是封闭的。催化剂床62优选填满环隙198，它由第二排放管164外壁172和转化管166内壁174限定。
当反应器160操作时，含氧气体38典型为空气，送入反应器的气密腔。氧接触反应管34的外侧(阴极)表面82，其渗透部分迁移到阳极侧86。阳极侧86和第一排放管162的外壁176组合构成进行部分氧化作用的环隙。
第一工艺气体88典型为天然气、甲烷或其它轻烃，经第一工艺气体进口26送入反应器。第一工艺气体88流过由外壁176和阳极侧86限定的环隙。部分氧化作用发生，产生产品气体71’，它经第一排放管162移入室200。
与氧化反应平行，额外的第一工艺气体88’经第二工艺气体进口134送入，并同经缓冲气体进口72引入的蒸汽90合并。蒸汽其压力大于额外第一工艺气体88’压力，并流过限流孔74，同额外第一工艺气体88’合并形成气体混合物132。混合物132向上流过环隙198，被预热并参加在床62进行的转化反应，然后由管际空间空气38冷却后，经管164排放。气体混合物132经催化剂床62输送，在催化剂床发生蒸汽转化作用，产生第二产品气体部分180，它与第一产品气体部分71’在室200合并，并作为合并产品流体71经产品气体出口70排出。
如较早的实施方案，加压蒸汽90作用如同额外第一工艺气体88’和低压含氧气体38之间的缓冲剂。贫氧气体流体203穿过折流板205后，从反应器160排出。
图11所描绘本发明实施方案，功能上类似于图7的设计。图11的实施方案也优选包括预热区和冷却区。
图12描绘了气体流动是串联的反应器201。第一工艺气体88经第一工艺气体进口26进入反应器。第一工艺气体88流入第一环隙112，第一环隙112由反应管34内侧(阳极)表面86和第一排放管162的外表面176限定。
含氧气体38如空气，送入反应器的气密腔，并接触反应管34的外侧(阴极侧)82。氧的渗透部分84穿过氧选择性离子迁移膜，在阳极侧表面86发生放热氧化反应。贫氧气体流体203通过折流板205后从反应器201排放。
氧化产物154，同额外工艺气体(类似于图11工艺气体88’)和蒸汽(类似于图11蒸汽90)的气体混合物132合并，形成合并工艺流体204，送往转化管209和排放管207之间充填了催化剂62的第二环隙126。蒸汽转化作用之后，产品气体71于是作为合成气被回收。该实施方案功能类似于图8的实施方案。
图11和12的设置包含空气流动的管际空间，和沿反应管内径进行的反应。本领域技术人员会认识到，若所有反应管至少在离子迁移反应器的反应区装有离子迁移膜，图1、5和6的方法也进行管内反应和管外空气流动。应当采用类似于图11和12所描绘的那些设计。
优选地，每根管都固定连接到仅一块管板上，而与其它管板滑动密封，或自由地穿过其中。例如图12，排放管207仅连接管板206，而排放管162仅连接管板208。排放管207、162因分别置于转化管209和反应管34内部，而自由穿过其余管板210和212。转化管209以这种结构固定连接到管板212上，并分别用密封件214、216滑动密封穿过管板208、210。反应管34仅固定连接到管板212上，并用密封件218与管板210滑动密封。管209和34自由穿过折流板205的细小环隙狭缝。
下述实例，将使本发明整个方法，及其相关反应器设计的优点变得更明显。
实例
图1所描绘的这种管壳反应器是计算机设计的。该反应器拥有1000根反应管34，每根反应管其长度为31英尺。该长度的18英尺为反应区65，6英尺为预热区91和7英尺为冷却区96。管到管间距1.5英寸，管束直径4英尺。每根管都由密实混合导体构成，在反应区65内可以选择性离子迁移，且在反应区65之外无活性。管子其外经为1英寸，其内径为0.875英寸。反应区65的膜40由LaSrFeCr钙钛矿构成。
图13图解说明反应器的气体组成。横轴表示反应成分已通过反应区的百分比，而纵轴表示每一成分的摩尔百分比。当x/L＝0时，挨着预热区91的反应区最上游端气体成分摩尔百分比近似为，40％CH4、39％CO、10％H2、8％CO及平衡量的CO2。当x/L＝1时，邻近冷却区96的反应区最下游端预期气体成分组合物摩尔百分比为，47％H2、25％H2O、20％CO、5％CO2、4％N2和2％CH4。
确定了穿过反应区的平均氧通量为15.4NCFH/FT2，且给料空气中50％有用氧可以利用。反应管整个长度上的温度如图14所描绘。氢净产量预期为495磅摩尔/小时，一氧化碳为211磅摩尔/小时，摩尔比为H2∶CO＝2.35。
该实例说明了控制热量产生和热传导的能力，防止氧选择性离子迁移膜温度的过度偏移的能力，以及使密封区管温达到小于400℃，实际上减轻对滑动密封件限制的能力。
虽然，已按管壳型反应器对反应器进行了特殊描述，但据认为，适合于气体成分部分氧化和转化的其它类型反应器，也可用于实施本发明方法。
据认为，本发明方法所采用的离子迁移膜可以具有任何所需构形，包括管型、板型和直槽型。此外，通过引进催化剂、表面涂层或多孔膜和层，可以增加氧通量率。
术语“包含”，在本文用意为“包括但不限于”，即当涉及权利要求书中叙述的特征、整体、步骤或组分的存在时，不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、组分或其组合。
因为，根据本发明每一特征都会与其它特征相联系，所以，在一张或几张图中说明本发明的特征，仅仅是为了方便。其它实施方案将为本领域技术人员所认识，并要包括在权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种在装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件的反应器中制备产品气体的方法，该氧选择性离子迁移膜组件有一阴极侧和一阳极侧，该方法包括：
含氧气体在起始方向沿阴极侧流动，渗透氧部分穿过氧选择性离子迁移膜组件迁移到阳极侧；
使第一工艺气体和第二工艺气体与含氧气体隔离，借此，至少第一工艺气体沿阳极侧流动，且第一工艺气体既可以与氧起放热反应，也可以与第二工艺气体起吸热反应；
所述氧部分同第一工艺气体起放热反应，而第一工艺气体同所述第二工艺气体起吸热反应；
控制放热反应、吸热反应和反应器内部热传递中的至少一个，以使氧选择性离子迁移膜组件温度保持在规定范围内；和
用沿至少部分阳极侧放置的催化剂床促进吸热反应，并且其中催化剂的活性向床的中部和出口逐渐增加。
2.一种在装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件的反应器中制备产品气体的方法，该氧选择性离子迁移膜组件有一阴极侧和一阳极侧，该方法包括：
含氧气体在起始方向沿阴极侧流动，渗透氧部分穿过氧选择性离子迁移膜组件迁移到阳极侧；
使第一工艺气体和第二工艺气体与含氧气体隔离，借此，至少第一工艺气体沿阳极侧流动，且第一工艺气体既可以与氧起放热反应，也可以与第二工艺气体起吸热反应；
所述氧部分同第一工艺气体起放热反应，而第一工艺气体同所述第二工艺气体起吸热反应；
控制放热反应、吸热反应和反应器内部热传递中的至少一个，以使氧选择性离子迁移膜组件温度保持在规定范围内；
用沿至少部分阳极侧放置的催化剂床促进吸热反应，和
将选自二氧化碳、蒸汽及其混合物的额外第二工艺气体加入到催化剂床中心部分，以局部增加吸热反应速率。
3.根据权利要求1或2的方法，其中在进行所述放热反应或所述吸热反应之前，混合所述第一工艺气体和所述第二工艺气体，形成气体混合物。
4.根据权利要求3的方法，其中控制步骤产生余热，该余热用于加热反应组分，反应组分选自第一工艺气体、第二工艺气体、它们的混合物和含氧气体。
5.根据权利要求3的方法，其中所述催化剂床的局部活性选择性地适合于在床边缘附近产生放热和吸热反应温度间的正平衡，而在床中心产生中性平衡。
6.根据权利要求3的方法，其中所述气体混合物沿与所述起始方向大体相反的方向流动。
7.根据权利要求1或2的方法，其中第二工艺气体与第一工艺气体用热传导不透气部件隔离。
8.一种在反应器中制备氢和一氧化碳混合物的方法，反应器中装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件，氧选择性离子迁移膜组件具有一阴极侧和一阳极侧，该方法包括：
含氧气体在起始方向沿阴极侧流动，且渗透氧部分穿过氧选择性离子迁移膜组件迁移到阳极侧；
第一工艺气体沿阳极侧流动，第一工艺气体能与氧进行放热反应；
提供一种热传导不透气部件，用于使第一工艺气体与能进行吸热反应的第二工艺气体隔离；第一部分第一工艺气体同渗透氧起放热反应，而第二工艺气体起吸热反应；
控制反应器内放热反应、吸热反应和内部热传递中的至少一个，以使氧选择性离子迁移膜温度保持在700-1050℃范围内；和
用沿至少部分阳极侧放置的催化剂床促进所述吸热反应，并且催化剂的活性向床的中部和出口逐渐增加。
9.一种在反应器中制备氢和一氧化碳混合物的方法，反应器中装有至少一个氧选择性离子迁移膜组件，氧选择性离子迁移膜组件具有一阴极侧和一阳极侧，该方法包括：
含氧气体在起始方向沿阴极侧流动，且渗透氧部分穿过氧选择性离子迁移膜组件迁移到阳极侧；
第一工艺气体沿阳极侧流动，第一工艺气体能与氧进行放热反应；
提供一种热传导不透气部件，用于使第一工艺气体与能进行吸热反应的第二工艺气体隔离；第一部分第一工艺气体同渗透氧起放热反应，而第二工艺气体起吸热反应；
控制反应器内放热反应、吸热反应和内部热传递中的至少一个，以便氧选择性离子迁移膜温度保持在700-1050℃范围内；
用沿至少部分阳极侧放置的催化剂床促进吸热反应；和
将选自二氧化碳、蒸汽及其混合物的额外第二工艺气体加入到催化剂床中心部分，以局部增加吸热反应速率。
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