Conjunto de capa de soporte con conductos de cerámica plana y método para la fabricación del mismo.

Un conjunto de capa de soporte con conductos de ceramica plana que comprende

(a) una capa de soporte con ranuras de ceramica plana (401) que tiene una primera superficie,

unasegunda superficie y una periferia exterior, en el que la capa de soporte con ranuras incluye

(1) una region definida por un paralelogramo recto que encierra una primera pluralidad de ranurasparalelas (403) que pasan a traves de la capa de soporte (401) y se encuentran orientadas enparalelo a un primer lado y a un segundo lado opuesto del paralelogramo,

(2) una segunda pluralidad de ranuras paralelas (411) que se extienden a traves de la capa desoporte (401) desde el primer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares a la primerapluralidad de ranuras paralelas (403) y estan dispuestas entre la periferia (413) y el primer lado delparalelogramo, y

(3) una tercera pluralidad de ranuras paralelas (415) que pasan a traves del soporte desde elprimer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares a la primera pluralidad de ranurasparalelas (403) y estan dispuestas entre la periferia (417) y el segundo lado del paralelogramo;

(b) una primera capa de conductos de flujo de ceramica plana (201) en contacto con la primera superficiede la capa de soporte con ranuras de ceramica plana (401), en el que la primera capa de conductos de flujode ceramica plana (201) incluye una pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) que se extienden atraves de la misma, y en el que la pluralidad de conductos de flujo paralelos son adyacentes a,perpendiculares a y se encuentran en comunicacion de fluidos fluida con, la primera pluralidad de ranurasparalelas en la capa de soporte;

(c) una segunda capa de conductos de flujo de ceramica plana (201) en contacto con la segunda superficiede la capa de soporte con ranuras de ceramica plana, en el que la segunda capa de conductos de flujoplana (201) incluye una pluralidad de conductos de flujo paralelos que se extienden a traves de la misma(301), y en el que la pluralidad de conductos de flujo paralelos son adyacentes a, perpendiculares a y seencuentran en comunicacion de fluidos fluida con, la primera pluralidad de ranuras paralelas en la capa desoporte; y

(d) unas series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) que pasan a traves del conjunto de capade soporte con conductos de ceramica formado por la primera capa de conductos de flujo de ceramicaplana (201), la capa de soporte (401) y la segunda capa de conductos de flujo de ceramica plana (201), enel que

(1) las series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) son perpendiculares a lapluralidad de conductos de flujo paralelos (301) en las capas de conductos de flujo de ceramicaplanas primera y segunda (201),

(2) la primera serie de ranuras paralelas (503) esta dispuesta entre la periferia y el primer lado delparalelogramo y las ranuras en la primera serie de ranuras paralelas pasan a traves de, eintersectan, la segunda pluralidad de ranuras paralelas (411) que se extienden a traves de la capade soporte (401), y

(3) la segunda serie de ranuras paralelas (505) esta dispuesta entre la periferia y el segundo ladodel paralelogramo y las ranuras en la segunda serie de ranuras paralelas pasan a traves de, eintersectan, la tercera pluralidad de ranuras paralelas (415) que se extienden a traves de la capade soporte (401);

en el que las ranuras en las series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) se encuentran encomunicacion de fluidos fluida con todas las ranuras en la primera capa de conductos de flujo de ceramica plana, lacapa de soporte y la segunda capa de conductos de flujo de ceramica plana.

Conjunto de capa de soporte con conductos de cerámica plana y método para la fabricación del mismo

Declaración concerniente al desarrollo o a la investigación patrocinada por el gobierno federal

La presente invención se realizó con el respaldo gubernamental con el Contrato DE–FC26–97FT96052 entre Air Products and Chemicals, Inc. y el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El gobierno de los Estados Unidos dispone de ciertos derechos sobre la invención, tal como se define en las reivindicaciones.

Antecedentes de la invención Se puede separar el oxígeno de los gases que contienen oxígeno por medio de membranas cerámicas de conducción mixta que funcionan a temperaturas elevadas, caso en el que las membranas conducen tanto iones de oxígeno como electrones. Se produce gas oxígeno en el lado del permeado de la membrana y se puede recuperar como un producto de alta pureza. De manera alternativa, se puede hacer reaccionar el oxígeno permeado directamente con un gas que contenga hidrocarburos, de forma o bien catalítica o bien no catalítica, para producir un producto de oxidación de hidrocarburos. Se pueden usar varios gases que contienen oxígeno, tales como aire, y son posibles numerosos productos de oxidación de hidrocarburos alternativos dependiendo de las condiciones de funcionamiento y del catalizador, si es que se usa.

Existe un interés comercial creciente y significativo en la producción de gas de síntesis a partir de gas natural y de sistemas de reactor de membrana cerámica de conducción mixta con uso de aire. En la actualidad, esta tecnología se encuentra en fase de desarrollo y se prevén aplicaciones comerciales en los años futuros a medida que madure la tecnología. Los sistemas de reactor de membranas cerámicas de conducción mixta producen gas de síntesis mediante la oxidación parcial de metano para formar los componentes de gas de síntesis CO, H2, CO2 y H2O. El proceso se lleva a cabo introduciendo un gas de alimentación que contiene metano y un gas de alimentación de aire en el interior del sistema de reactor de membrana, poniendo en contacto una superficie de la membrana con el metano, y poniendo en contacto la otra superficie con aire. El oxígeno permea a través de la membrana, el metano reacciona con el oxígeno permeado para formar una mezcla de metano/ gas de síntesis, y posteriormente el metano se convierte en gas de síntesis a medida que la mezcla viaja a través del reactor a la vez que reacciona con oxígeno permeado adicional.

Este proceso se puede integrar de manera favorable con los procesos aguas arriba y aguas abajo si la corriente de metano/ gas de síntesis se encuentra a presión elevada, típicamente de 18, 2–32, 0 bar (250–450 psig) . Además, los costes del proceso son los más favorables si el aire se encuentra a baja presión, típicamente menor que 4, 5 bar (50 psig) . Por lo tanto, las membranas del sistema de reactor de membrana se deben diseñar de manera que soporten un diferencial de presión importante entre el lado de aire y el lado de metano/ gas de síntesis. Para conseguir unos flujos de oxígeno elevados a través de la membrana, la capa separadora activa de la membrana debe ser delgada, típicamente menor que 200 micrómetros. No obstante, una membrana independiente de este espesor no podría soportar un diferencial de presión típico de 13, 8–27, 6 bar (200–400 psid) y, por lo tanto, la capa separadora delgada debe estar soportada estructuralmente de algún modo.

Se han descrito en la técnica varios diseños de sistemas de membrana cerámica conductora de oxígeno capaces de 45 soportar diferenciales de presión elevados. Por ejemplo, se puede someter una membrana cerámica tubular a metano a presión elevada por un lado y a aire a baja presión por el otro lado, pero dicha membrana debe presentar una pared de espesor suficiente para aguantar el diferencial de presión; como consecuencia de ello, esta membrana no puede conseguir un elevado flujo de oxígeno. Para abordar este problema, se han desarrollado unas membranas tubulares compuestas que incorporan una capa densa, delgada y permeable a oxígeno sobre un soporte poroso más grueso.

Se han descrito configuraciones de membrana en placa plana en la técnica en las que la capa separadora activa se encuentra soportada por una capa o capas porosas en el lado de baja presión de la membrana, que típicamente es el lado del permeado de la membrana. Típicamente, estos sistemas de membrana están diseñados para producir un 55 producto de oxígeno puro en el lado del permeado. Si se usan estas membranas con aire a baja presión en el lado de baja presión de la membrana, las capas de soporte poroso en el lado de baja presión de la membrana introducen una resistencia a la difusión en fase de gas para el transporte de oxígeno desde el oxidante o el aire hasta la superficie de la capa separadora densa. Las capas porosas que son lo bastante gruesas para proporcionar soporte a la capa separadora activa delgada introducen una resistencia a la difusión para el transporte de oxígeno hacia la superficie de la membrana, y esta resistencia disminuirá el flujo de oxígeno a través de la membrana. Por lo tanto, existe una necesidad de unos diseños de membranas compuestas que usen una membrana activa delgada bajo un diferencial de presión elevado sin una resistencia a la difusión en fase de gas inaceptablemente elevada en el lado de oxidante de la membrana.

El documento EP 0732138 da a conocer un conjunto de membrana cerámica plana que comprende un material de óxido de metal de múltiples componentes de conducción mixta, una capa de soporte sin conductos de cerámica en contacto con la capa densa y una capa porosa de un óxido de metal de múltiples componentes de conducción mixta en contacto con el soporte sin conductos.

Los materiales porosos presentan una menor resistencia mecánica que los materiales densos. Los diseños de membrana que usan soportes porosos en el lado de baja presión someten el soporte poroso a un esfuerzo de compresión. Este esfuerzo puede superar la resistencia al aplastamiento de la capa de soporte poroso si el diferencial de presión es lo bastante elevado, lo que da lugar a que la capa de soporte falle y a que la capa activa delgada falle o tenga fugas. La resistencia de la capa porosa es una función de la porosidad del material de capa – en general, un material de porosidad menor es más fuerte que un material de porosidad mayor. Desafortunadamente, un material más fuerte con una menor porosidad es menos permeable que un material más débil con porosidad más elevada, y el aumento de la resistencia de la capa de soporte porosa aumenta, por lo tanto, la resistencia a la difusión en fase de gas de la capa. Esta compensación entre resistencia y permeabilidad en los materiales porosos hace difícil diseñar membranas compuestas que puedan soportar unos diferenciales de presión elevados y los esfuerzos de compresión elevados resultantes. Por lo tanto, resultan necesarios unos diseños de membrana que eviten la colocación de capas porosas bajo esfuerzos de compresión elevados.

El transporte de oxígeno a través de la membrana cerámica conductora de oxígeno densa se activa de forma térmica. Esto significa que el flujo de oxígeno a través de la membrana aumenta de forma exponencial con la temperatura en ausencia de cualesquiera otras resistencias de transferencia de masa. Cuando se usa una membrana conductora de oxígeno densa en un sistema de reactor de membranas para llevar a cabo una reacción exotérmica tal como una oxidación de hidrocarburos, el transporte de oxígeno activado de forma térmica puede conducir a puntos calientes locales sobre la membrana. Un punto delgado en la membrana experimenta un flujo de oxígeno más elevado con respecto a las zonas circundantes más gruesas en la membrana, y la membrana se calentará en este punto delgado en relación con sus alrededores a medida que aumenta la velocidad de oxidación.

Esto aumenta el flujo adicionalmente, aumentando de ese modo adicionalmente la temperatura en ese punto. Estos gradientes de temperatura locales generan unos esfuerzos térmicos no deseados que son perjudiciales para la integridad mecánica de la membrana.

En el campo de los reactores de membrana cerámicos, existe una necesidad de un diseño de membrana capaz de soportar unos diferenciales de presión elevados a la vez que evita también que tengan lugar puntos calientes locales. En particular, existe una necesidad de un diseño de membrana de reactor de oxidación parcial de hidrocarburos que permita el uso de una capa de membrana permeable a oxígeno delgada que funcione bajo un diferencial de presión elevado sin desarrollar puntos calientes provocados por una difusión... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de capa de soporte con conductos de cerámica plana que comprende (a) una capa de soporte con ranuras de cerámica plana (401) que tiene una primera superficie, una segunda superficie y una periferia exterior, en el que la capa de soporte con ranuras incluye

(1) una región definida por un paralelogramo recto que encierra una primera pluralidad de ranuras paralelas (403) que pasan a través de la capa de soporte (401) y se encuentran orientadas en paralelo a un primer lado y a un segundo lado opuesto del paralelogramo,

(2) una segunda pluralidad de ranuras paralelas (411) que se extienden a través de la capa de soporte (401) desde el primer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares a la primera pluralidad de ranuras paralelas (403) y están dispuestas entre la periferia (413) y el primer lado del paralelogramo, y

(3) una tercera pluralidad de ranuras paralelas (415) que pasan a través del soporte desde el primer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares a la primera pluralidad de ranuras paralelas (403) y están dispuestas entre la periferia (417) y el segundo lado del paralelogramo;

(b) una primera capa de conductos de flujo de cerámica plana (201) en contacto con la primera superficie de la capa de soporte con ranuras de cerámica plana (401) , en el que la primera capa de conductos de flujo de cerámica plana (201) incluye una pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) que se extienden a través de la misma, y en el que la pluralidad de conductos de flujo paralelos son adyacentes a, perpendiculares a y se encuentran en comunicación de fluidos fluida con, la primera pluralidad de ranuras paralelas en la capa de soporte;

(c) una segunda capa de conductos de flujo de cerámica plana (201) en contacto con la segunda superficie de la capa de soporte con ranuras de cerámica plana, en el que la segunda capa de conductos de flujo plana (201) incluye una pluralidad de conductos de flujo paralelos que se extienden a través de la misma (301) , y en el que la pluralidad de conductos de flujo paralelos son adyacentes a, perpendiculares a y se encuentran en comunicación de fluidos fluida con, la primera pluralidad de ranuras paralelas en la capa de soporte; y

(d) unas series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) que pasan a través del conjunto de capa de soporte con conductos de cerámica formado por la primera capa de conductos de flujo de cerámica plana (201) , la capa de soporte (401) y la segunda capa de conductos de flujo de cerámica plana (201) , en el que

(1) las series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) son perpendiculares a la pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) en las capas de conductos de flujo de cerámica planas primera y segunda (201) ,

(2) la primera serie de ranuras paralelas (503) está dispuesta entre la periferia y el primer lado del paralelogramo y las ranuras en la primera serie de ranuras paralelas pasan a través de, e intersectan, la segunda pluralidad de ranuras paralelas (411) que se extienden a través de la capa de soporte (401) , y

(3) la segunda serie de ranuras paralelas (505) está dispuesta entre la periferia y el segundo lado del paralelogramo y las ranuras en la segunda serie de ranuras paralelas pasan a través de, e

intersectan, la tercera pluralidad de ranuras paralelas (415) que se extienden a través de la capa de soporte (401) ;

en el que las ranuras en las series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) se encuentran en comunicación de fluidos fluida con todas las ranuras en la primera capa de conductos de flujo de cerámica plana, la capa de soporte y la segunda capa de conductos de flujo de cerámica plana.

2. El conjunto de capa de soporte con conductos de cerámica plana de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la anchura de cada ranura en la primera pluralidad de ranuras paralelas (403) en la capa de soporte con ranuras de cerámica plana es de entre aproximadamente 0, 2 y aproximadamente 2 mm y la distancia entre ranuras paralelas 55 adyacentes en la primera pluralidad de ranuras paralelas (403) es de entre aproximadamente 0, 2 y aproximadamente 4 mm.

3. Un método de fabricación de un conjunto de capa de soporte con conductos plana de cerámica en crudo que comprende (a) preparar una capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo (401) que tiene una primera superficie, una segunda superficie y una periferia exterior, en el que la capa de soporte con ranuras (401) incluye 65 (1) unas regiones sobre las superficies primera y segunda, definida cada región por un paralelogramo recto dentro de la periferia exterior en el que cada paralelogramo tiene un primer lado y un segundo lado opuesto,

(2) una primera pluralidad de ranuras paralelas (411, 419) que se extienden a través de la capa de soporte desde el primer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares al primer lado de cada paralelogramo y están dispuestas entre la periferia (413, 421) y el primer lado de cada paralelogramo, y

(3) una segunda pluralidad de ranuras paralelas (415, 423) que pasan a través del soporte desde el primer lado hasta el segundo lado, son perpendiculares al segundo lado de cada paralelogramo y están dispuestas entre la periferia (417, 425) y el segundo lado de cada paralelogramo;

(b) preparar una primera y una segunda capa de conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) , cada unas de las cuales incluye una pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) que se extienden a través de la misma;

(c) colocar la primera capa de conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) en contacto con la primera superficie de la capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo (401) de tal modo que la pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) están orientados en paralelo a la primera y a la segunda pluralidad de ranuras paralelas (415, 423) en la capa de soporte (401) y están dispuestos en el interior de la región sobre la primera superficie definida por el paralelogramo recto;

(d) colocar la segunda capa de conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) en contacto con la segunda superficie de la capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo (401) de tal modo que la pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) están orientados en paralelo a la primera y a la segunda pluralidad de ranuras paralelas (415, 423) en la capa de soporte (401) y están dispuestos en el interior de la región sobre la segunda superficie definida por el paralelogramo recto; y

(e) cortar unas series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) a través del conjunto de capa de soporte con conductos plana de cerámica en crudo formado por la primera capa con conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) , la capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo (401) y la segunda capa con conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) , en el que (1) las series primera y segunda de ranuras paralelas (503, 505) son perpendiculares a la pluralidad de conductos de flujo paralelos (301) en las capas de conductos de flujo planas de 30 cerámica en crudo primera y segunda (201) ,

(2) la primera serie de ranuras paralelas (503) está dispuesta entre la periferia y el primer lado del paralelogramo (507) y las ranuras en la primera serie de ranuras paralelas (503) pasan a través de, e intersectan, la primera pluralidad de ranuras paralelas (411, 419) que se extienden a través de la capa de soporte (401) ,

(3) la segunda serie de ranuras paralelas (505) está dispuesta entre la periferia y el segundo lado del paralelogramo (507) y las ranuras en la segunda serie de ranuras paralelas (505) pasan a través de, e intersectan, la segunda pluralidad de ranuras paralelas (413, 421) que se extienden a través de la capa de soporte (401) ; y

(f) cortar una tercera serie de ranuras paralelas a través del conjunto de capa de soporte con conductos plana de cerámica en crudo formado por la primera capa con conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) , la capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo (401) y la segunda capa con conductos de flujo plana de cerámica en crudo (201) ,

en el que las ranuras en la tercera serie de ranuras paralelas se encuentran en paralelo a las ranuras en las series primera y segunda de ranuras paralelas y se encuentran entre las series primera y segunda de ranuras paralelas; en el que las ranuras en las series primera y segunda de ranuras paralelas se encuentran en comunicación de fluidos fluida con todas las ranuras en la primera capa de conductos de flujo plana de cerámica en crudo, la capa de soporte con ranuras plana de cerámica en crudo y la segunda capa de conductos de flujo plana de cerámica en crudo.