專利名稱：：分級膜氧化反應器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及分級膜氧化反應器系統(tǒng)。
背景技術：
：氧離子可以滲透陶瓷離子傳輸膜是高溫氧化反應器系統(tǒng)的設計與操作的基礎，在所述系統(tǒng)中，滲透氧與可氧化化合物反應形成氧化或部分氧化的反應產(chǎn)物。這些氧化反應器系統(tǒng)的一部分應用要求膜組件具有大的表面積，使氧化進料氣體與膜的氧化側接觸的流道，使反應進料氣體與膜的反應側接觸的流道，和從膜的滲透側提取產(chǎn)物氣體的流道。這些膜組件可以包含大量布置和裝配成^^莫塊(module)的單獨的膜，所述模塊有適當?shù)臍怏w流動管路，可向模塊中引入進料氣體并從模塊中提取產(chǎn)物氣體。離子傳輸膜可以制成平面或者管線狀結構。在平面結構中，安裝多個平面陶瓷板，并將其組裝成堆或模塊，具有管路，可使氧化進料氣體和反應進料氣體流過平面膜，并從平面膜的滲透側提取產(chǎn)物氣體。在管線狀結構中，多個陶瓷管線可以組成插接(bayonet)或管線殼結構，具有適當?shù)墓芫€板組件，將多管線的氧化與反應側分開。在平面或管線狀模塊結構中使用的單獨的膜通常包含非常薄的活性膜材料層，所述層的支撐材料具有大的孔或通道，使氣體可以流至活性膜層表面和從活性膜層表面流出。在通常穩(wěn)態(tài)操作的過程中，和特別在非穩(wěn)態(tài)啟動、關閉和故障的過程中，陶瓷膜材料和膜模塊的組件可以經(jīng)受強的機械應力。這些應力可能由于陶瓷材料的熱脹冷縮所導致，和由化學組成或晶體結構改變產(chǎn)生的尺寸變化所導致，所述化學組成或晶體結構改變是由于膜材料的氧化學計量改變而引起的。這些模塊可以在膜和膜密封件兩側有顯著壓差時操作，在膜^t塊設計時必須考慮這些壓差產(chǎn)生的應力。此外，膜模塊有溫度上限，高于上限溫度，會發(fā)生膜降解和/或模塊損傷。這些現(xiàn)象的相對重要性根據(jù)特定的氧化反應和所用的操作條件而不同。由這些現(xiàn)象產(chǎn)生的潛在操作問題可能對系統(tǒng)的轉化效率和膜使用壽命有^艮大的負面影響。在高溫陶瓷膜反應器領域，需要有新的膜模塊和反應器系統(tǒng)設計，來解決和克服這些潛在的操作問題。這種設計應該包括下述特點膜使用壽命長、資金成本最小和在大的生產(chǎn)速率范圍內能夠有效操作。本發(fā)明的實施方案在本文公開并詳細說明滿足這些需要的方法，即通過提供用于膜氧化系統(tǒng)的模塊和反應器的改進設計來滿足這些需要。
發(fā)明內容本發(fā)明的一個實施方案涉及離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(a)兩個或更多個膜氧化級(stage)，每級包含反應域(zone)、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)(region)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通(flowcommunication),使級間反應氣體能從第一級流至第二級；和(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧4七級的反應i或流動連通；另一個實施方案包括產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；和(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通。所述方法包括將一種或多種反應進料氣體引入兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應氣體入口區(qū)；(c)將氧化氣體引入兩個或更多個膜氧化級中的任何氧化氣體入口區(qū)；(d)將反應級間進料氣體引入置于鄰近膜氧化級之間的任何級間反應氣體流道，或引入接收級間反應氣體的任何級的任何反應域；和(e)從兩個或更多膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。本發(fā)明的相關實施方案提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與每對膜氧化級中第二級的反應氣體口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應氣體供應歧管，其與通入第一級的一根反應氣體進料管線流動連通，并與任何反應級間進料氣體管線流動連通；和(f)產(chǎn)物提取管線，從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。本發(fā)明另一個有關的實施方案涉及產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，所述方法包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(4)一個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(5)反應氣體供應歧管，其與通入笫一級的一根反應氣體進料管線流動連通，并與任何反應級間氣體進料管線流動連通；和(6)產(chǎn)物提取管線，從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。這個實施方案包括步驟(b)通過反應氣體供應歧管提供反應氣體，將反應進料氣體從歧管引入第一級的反應域，并將反應氣體從歧管作為反應級間進料氣體引入任何的一個或多個反應級間進料氣體管線中；(c)將氧化氣體引入兩個或更多膜氧化級中的任何氧化氣體入口區(qū)；和(d)從兩個或更多膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。本發(fā)明的另一個實施方案包括離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與笫二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應級間進料氣體供應歧管，其與任何反應級間進料氣體管線流動連通；和(f)產(chǎn)物提取管線，其配置為從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。本發(fā)明另一個相關的實施方案提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與笫二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至笫二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通。這個實施方案包括(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應級間進料氣體供應歧管，其與任何反應級間進料氣體管線流動連通；(f)反應氣體供應歧管，其與下述(1)和(2)中任何管線流動連通(l)任何反應級間進料氣體管線和(2)任何的一個或多個反應氣體進料管線；和(g)產(chǎn)物提取管線，其配置為從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。本發(fā)明的可選實施方案涉及產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，所述方法包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道可將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接收級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(4)一個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(5)反應級間進料氣體供應歧管，其與任何反應級間進料氣體管線流動連通；和(6)產(chǎn)物提取管線，從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。這個實施方案包括步驟(b)將反應進料氣體引入兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域；(c)通過反應級間進料氣體歧管將反應級間進料氣體通入任何的一個或多個反應級間進料氣體管線中；(d)將氧化氣體引入兩個或更多膜氧化級中的任何氧化氣體入口區(qū)；和(e)從兩個或更多膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。另一個實施方案提供操作離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的方法，所述方法包含(a)將一種或多種反應氣體引入離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的反應域，其中一種或多種反應氣體至少包含甲烷和二氧化碳；(b)將含氧氣體引入離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的氧化域；(c)通過離子傳輸膜，將氧從氧化域滲透進入反應域，并在反應域中4吏氧與反應氣體中的一種或多種組分反應；和(d)維持流入反應域的反應氣體中二氧化碳的分壓低于二氧化碳分壓的臨界闊值，Pco2*，其中pco^定義為二氧化碳分壓高于此值時，離子傳輸膜中的材料會與二氧化碳反應并分解。圖1是本發(fā)明的通用實施方案的流程示意圖。圖2是本發(fā)明一個實施方案的流程示意圖。圖3是圖2實施方案的特定結構的流程示意圖。圖4是本發(fā)明另一個實施方案的流程示意圖。圖5是對于混合的傳導性金屬氧化物膜材料LaQ.9Ca(uFe03-5，在不同的平衡02分壓時，pco,與溫度的關系曲線。圖6是對于實施例1，從反應進料入口(O)到產(chǎn)物出口(100),反應氣體的溫度與100個反應級中級組百分數(shù)的關系曲線。圖7是對于實施例2，從反應進料入口(O)到產(chǎn)物出口(100),反應氣體的溫度與100個反應級中級組百分數(shù)的關系曲線。圖8是對于實施例3，從反應進料入口(O)到產(chǎn)物出口(100)，反應氣體的溫度與100個反應級中級組百分數(shù)的關系曲線。具體實施例方式膜氧化反應器系統(tǒng)通常利用部分氧化、完全氧化、蒸汽重組(reform)、二氧化碳重組、水煤氣變換，和/或這些反應的不同組合來產(chǎn)生合成氣。這些反應中有些強烈放熱，而其它的吸熱。因為陶瓷膜系統(tǒng)通常要求較窄的操作溫度范圍，所以要求正確控制放熱與吸熱反應。這種需要可以通過本發(fā)明的實施方案滿足，本發(fā)明的實施方案具體針對離子傳輸膜(ITM)系統(tǒng)的設計和操作，所述系統(tǒng)利用串聯(lián)操作的多個反應-分級膜模塊進行氧化過程。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當放熱反應在滲透氧和反應性組分之間發(fā)生時，例如在從甲烷產(chǎn)生合成氣的過程中，必須限制跨單膜反應轉化的程度，以防止產(chǎn)生過高的跨膜溫度梯度。還發(fā)現(xiàn)，當膜在運輸氧時，必須限制跨單膜提取的氧的量，以防止膜的前緣和后緣之間，在膜材料中產(chǎn)生過高的氧空位梯度。過高的溫度或氧空位梯度可能在膜中產(chǎn)生過大的應力，其可能嚴重縮短膜的壽命。此外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，反應氣體中某些組分，特別是二氧化碳的濃度，必須維持低于確定的臨界分壓，以避免損害膜材料。本發(fā)明的實施方案通過如下方法解決這些問題利用多個反應器級，使每級中反應轉化都可以控制，每個模塊中跨膜提取的氧的量可以保持足夠低，從而防止膜材料中過高的氧空位梯度，而與膜接觸的二氧化碳的分壓可以維持低于臨界分壓。一個反應器級可以包含多個并聯(lián)和/或串聯(lián)安裝的膜模塊。對于每個單獨的模塊，跨模塊提取的氧的量可以通過適當?shù)哪K大小來限制，而在一級中提取的氧的總期望程度可以通過在級中操作選定數(shù)目的模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)中總的期望的轉化率可以通過使用串聯(lián)的多個反應器級而實現(xiàn)，在其中操作每級，使每級中反應轉化的程度控制在選定值，并可以接近化學平^f軒。這可以通過將分部分的反應氣體引入多級反應器系統(tǒng)的兩個或更多級而完成，其中每級可以包含串聯(lián)和/或并聯(lián)安裝的多個膜模塊。一級中每個單獨模塊的跨模塊反應轉化程度可以通過適當?shù)哪K大小和/或進料氣體流速而控制。來自下游合成氣轉化過程的循環(huán)氣體，或來自其它來源的反應氣體，可以作為額外的反應氣體？I入膜反應器系統(tǒng)，以增加總體轉化率和/或控制選定級中的溫度。這種循環(huán)氣體經(jīng)常包含二氧化碳，并且可以控制反應器中任何點的二氧化碳分壓，防止膜發(fā)生下文詳述的分解。下面的敘述將發(fā)明詳述和權利要求中所用術語應用于本文提出的本發(fā)明實施方案中。離子傳輸膜模塊是多個離子傳輸膜結構的集合體，具有氣體流入?yún)^(qū)和氣體流出區(qū)，其設置為使氣體能夠流過膜結構的外表面。這種多個離子傳輸膜結構還可以具有設置為使氣體能夠流過膜結構的內表面的氣體流入?yún)^(qū)和氣體流出區(qū)。從膜模塊的流入?yún)^(qū)流至流出區(qū)的氣體，在通過模塊中膜結構的表面時，組成可能會變化。每個膜結構具有氧化氣體進料側或域，也稱作氧化側或陰極側，以及用活性膜層或區(qū)分隔開的反應、滲透或陽極側或域，使氧離子可以滲透過膜并與反應側的反應性組分發(fā)生反應。在一示例性的膜模塊設計中，每個模塊都有內部區(qū)和外部區(qū)，其中氧化氣體進料流過內部區(qū)，而反應氣體流過膜結構的外部區(qū)。離子傳輸膜包含陶瓷膜材料的活性層，所述材料包含混合的金屬氧化物，能夠在較高溫度轉運或滲透氧離子。離子傳輸膜除了運輸氧離子之外，還可以運輸電子，這類離子傳輸膜通常稱作混合導體膜。離子傳輸膜還可以是復合膜，包含致密活性膜材料層，和一個或多個多孔層或有槽的支撐層。在多級膜氧化系統(tǒng)中的術語"級"、"反應級，，和"反應器級，，是相當?shù)?，定義為在級中并聯(lián)和/或串聯(lián)排列的一個或多個膜^t塊的集合體，其中每級包含(1)反應側或域(這些術語是相當?shù)?，(2)氧化側或域，(3)將氧化域和反應域分隔開的一個或多個離子傳輸膜，(4)與反應域流動連通的反應氣體入口或入口區(qū)，和(5)與反應域流動連通的反應氣體出口或出口區(qū)。更特定的是，每級可以具有反應進料氣體入口或入口區(qū)(如果是第一級)，級間反應氣流入口或入口區(qū)(如果不是第一級)，級間反應氣流出口或出口區(qū)(如果不是最后一級)，和產(chǎn)物氣體出口或出口區(qū)(如果是最后一級)。每級還有一個或多個氣體入口或入口區(qū)，其與氧化域流動連通；還有一個或多個貧氧的氧化氣體出口或出口區(qū)，其與氧化域流動連通。將氧化域與反應域分隔開的一個或多個離子傳輸膜允許氧離子透過膜，而致密活性膜材料則不允許在級的氧化與反應域之間存在大量(bulk)的任何氣體。某些情況下，膜可能發(fā)生小量但可以接受的泄漏。級可以具有串聯(lián)和/或并聯(lián)放置的任何數(shù)目的單獨膜^^莫塊，用來通過反應氣流。將反應氣體引入級入口，分布于級內的模塊間，并通過模塊的反應側。從才莫塊流出的氣體通過級出口提取。級可以包括一種或多種催化劑來增強其中發(fā)生的反應；催化劑可以包括氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑和水煤氣變換催化劑中的任何種。催化劑可以如下述放置(1)在任何級的反應域后和/或(2)任何級中任何膜才莫塊的下游和/或(3)任何級中任何膜模塊的上游和/或(4)處于任何期望的結構的任何級中的模塊之中或之間。反應氣體定義為包含一種或多種反應性組分的氣體，其參與任何的下述反應中(1)發(fā)生在膜氧化反應器級的反應域中的反應和(2)可能發(fā)生在催化劑區(qū)的反應，所述催化劑區(qū)在膜氧化反應器級的反應域之后或之前。在反應域中的反應可以發(fā)生在(1)透過膜的氧與任何反應性組分之間和(2)任何反應性組分之間。這些反應形成反應產(chǎn)物，所述產(chǎn)物可以從分級反應器系統(tǒng)的任何級作為出口氣體或產(chǎn)物氣體提取。術語"烴"定義為至少包含氫和碳原子的化合物。術語"氧化烴"定義為至少包含氫、碳和氧原子的化合物。術語"預重組天然氣"指天然氣氣流中部分烴經(jīng)過催化重組得到的反應產(chǎn)物。預重組天然氣通常包含甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氫氣和水?？梢赃M行天然氣的預重組，將比甲烷重的烴轉化和分解，以消除下游重組或部分氧化過程中的焦化現(xiàn)象。術語"預重組"和"預重組的，，指在進一步于膜反應器系統(tǒng)中反應之前，對含烴的氣體進行部分重組。術語"預重組"或"預重組的"還可以定義為水和/或二氧化碳與含烴的氣體中的部分烴發(fā)生催化反應，特別是與重于曱烷的烴發(fā)生催化反應，形成重組產(chǎn)物。在本發(fā)明的一個實施方案中，操作分級反應器系統(tǒng)，產(chǎn)生包含氫氣和一氧化碳的合成氣產(chǎn)物。這個實施方案使用第一反應氣體，其中包含一種或多種烴；和使用包含蒸汽(水蒸氣)的第二反應氣體。典型的第一反應氣體是天然氣，其中包含大部分曱烷和較小濃度具有2至6個碳原子的爛；另一種典型的第一反應氣體是富含甲烷的氣體，由預重組的天然氣和蒸汽產(chǎn)生；在可替換的應用中可以使用其它含碳的反應氣體?？蛇x地，可以使用第三反應氣體，其包含一種或多種選自下組的組分氧氣、氮氣、氫氣、水、曱烷、其它烴、一氧化碳和二氧化碳。第三反應氣體可以，例如由來自使用合成氣產(chǎn)物作為進料氣體的下游過程的排放氣體提供。當在這個實施方案中使用三種反應氣體時，主要的反應性組分是甲烷、其它烴、水、氫氣、一氧化碳和二氧化碳中的任何種。氧化氣體定義為包含氧和其它組分的氣體，可以從該氧化氣體中提取氧而通過滲透過離子傳輸膜與反應域中的反應性組分發(fā)生反應。含氧的氣體是一類反應氣體，其包含一種或多種包含氧原子的化合物，例如水、一氧化碳和二氧化碳。反應進料氣體定義為向多級膜反應器系統(tǒng)中笫一級的反應域或側引入的反應氣體。級間反應氣體定義為在各級間流動的反應氣體，即，從一級的反應域的出口區(qū)流出，流入下一級的反應域的入口區(qū)；這種氣體包含反應產(chǎn)物，并且可以包括未反應的反應性組分。在進入指定級的級間反應氣流中，反應性組分與氧化產(chǎn)物的相對量可以依賴于(1)前一級中與化學平衡的接近程度和(2)向通入指定級反應域的級間反應氣體引入的反應級間進料氣體(如果有的話)的量和組成。反應級間進料氣體定義為反應氣體，其(1)引入除第一級之外任何級的反應域或者(2)在進入反應域之前與級間反應氣體混合。反應級間進料氣體可以與進入笫一級的反應進料氣體具有相同的組成，或者可以與反應進料氣體的組成不同。反應進料氣體或反應級間進料氣體通常包含高濃度的反應性組分。產(chǎn)物氣體是從多級膜反應器系統(tǒng)中最后一級的反應域流出的反應氣體，其中產(chǎn)物氣體包含一種或多種氧化產(chǎn)物，還可以包含未反應的反應性組分。產(chǎn)物氣體可以是，例如，至少包含氬和二氧化碳的合成氣。反應分級膜反應器系統(tǒng)定義為包含兩個或者更多膜級的系統(tǒng)，各級相對于流過系統(tǒng)的反應氣體串聯(lián)排列，其中從一級的出口區(qū)流出的反應氣體立即流入下游另一級的入口區(qū)。反應進料氣體進入第一級，產(chǎn)物氣體從最后一級提取，級間反應氣流在每對串聯(lián)級之間流動。可以將包含額外反應氣體的反應級間進料氣體引入至少一個級間反應氣流中，也可以將其引入多級反應器系統(tǒng)中任何級間反應氣流中。膜模塊的結構可以具有多個平面片，每個片有中心或內部區(qū)和外部區(qū)，其中所述片由兩個并聯(lián)的平面組件組成，所述平面組件中沿至少部分外緣密封。氧離子透過活性膜材料，所述膜材料可以放置在平面片表面的一端或者兩端。氣體能夠流過片的中心或內部區(qū)，而片具有一個或多個氣體流動開口，使氣體能夠進入和/或流出片的內部區(qū)。因此氧離子可以從外部區(qū)滲透進內部區(qū)，或者相反地，可以從內部區(qū)滲透至外部區(qū)。在一個實施方案中，與膜;f莫塊外部區(qū)的外表面接觸的氣體可以處于比膜模塊內部區(qū)中的氣體高的壓力。在美國專利7,179,323和美國專利公開號2004/0186018(Al)中描述了可以用于本發(fā)明的實施方案中的代表性的膜組合物和平面膜模塊結構，所述文獻通過引用并入本文?？商鎿Q地，膜;jt塊可以具有管線狀結構，其中氧化氣體與管線的一側流動接觸(即，在管線的內部區(qū)或外部區(qū))，而氧離子透過管線壁中或管線壁上的活性膜材料，到達管線的另一側。氧化氣體通?？梢砸云叫杏诠芫€軸的方向在管線內或管線外流動，或者相反地，可以以不平行于管線軸的方向流過管線外側。模塊可以包含多個排列成插接或殼管線結構的管線，具有適當?shù)墓芫€板組件將多管線的氧化與反應側分隔開。模塊可以在反應器級中串聯(lián)排列，其中多個模塊沿一根軸放置。通常，通過了第一個模塊的膜結構表面的反應氣體從該模塊的出口區(qū)流出，之后這些氣體中部分或全部進入第二個^t塊的入口區(qū)，然后流過第二個模塊的膜結構表面。串聯(lián)的單個模塊的軸可以平行于或近似平行于整體流向或流過串聯(lián)模塊的氣體軸。模塊可以放置在多排(bank)模塊的級中，每排有兩個或更多的并聯(lián)模塊，其中一排并聯(lián)模塊的軸不平行于整體流向或流過模塊的氣體的軸向，而且通?？梢耘c其成直角。多排模塊可以串聯(lián)排列，很顯然，這樣放置模塊使已流經(jīng)第一排模塊中膜結構表面的部分反應氣體可流過第二排模塊的膜結構表面。任何數(shù)目的單獨模塊或模塊排可以在級中串聯(lián)和/或并聯(lián)排列。在一個實施方案中，單獨模塊或模塊排串聯(lián)成的模塊可以釆用一個或多個通常的軸向，其中軸的數(shù)目等于一或等于每排模塊的數(shù)目。在另一個實施方案中，與模塊或模塊排串聯(lián)的連續(xù)模塊或模塊排可以以可替換的方式產(chǎn)生支路，使得模塊具有至少兩個軸或軸數(shù)目大于排中模塊的數(shù)目。這兩個實施方案都包括在對本文所用的串聯(lián)模塊的描述中。術語"流動連通"在用于第一和第二區(qū)時，表示流體可以通過中間區(qū)，從笫一區(qū)流出，流至第二區(qū)。中間區(qū)可以包含第一和第二區(qū)之間的連接管路，或者可以包含第一和第二區(qū)之間的開放流動區(qū)域(area)或管道。術語"連接至"在用于第一和第二區(qū)時，表示流體能夠直接從第一區(qū)流至第二區(qū)，或者通過連接管路流至第二區(qū)。術語"直接流動連通"和術語"直接"在用于流動的流體時，表示流體能夠從第一區(qū)流至第二區(qū)，和/或從第二區(qū)流至第一區(qū)，其中區(qū)間的流道不與任何容器、存儲罐或加工設備流動連通，但是流體流道可以包括管路和/或選自下組的一個或多個流動控制設備孔、閥門和其它流動限制設備。本文所用的"a"和"an，，在用于敘述和權利要求部分中所述本發(fā)明的實施方案中任何特點時，表示一個或多個。"a，，和"an"的使用不限于表示單個特點，除非特別說明了這種限制。單數(shù)或復數(shù)名詞或名詞短語前面的"the，，表明特別指定的特點，根據(jù)使用定冠詞的上下文來表示單數(shù)或復數(shù)。無論數(shù)量多少，形容詞"任何"都同樣地表示一個、一些或全部。在第一項和第二項條款之間的術語"和/或，，表示下述情況中的一種(1)笫一項條款，(2)笫二項條款，和(3)第一項條款與第二項條款。圖1說明了本發(fā)明的通用實施方案的流程圖。示例性的膜氧化系統(tǒng)包含第一級l、第二級3、第三級5和最后一級或第n級7?？梢允褂萌魏纹谕募墧?shù)，只要至少是兩級。每級圖示為具有可滲透氧的膜的通用才莫塊，所述膜將一莫塊分成氧化側和滲透或反應側。如上所解釋，級可以包含任何數(shù)目的串聯(lián)和/并聯(lián)放置的膜模塊，并且可以包括一種或多種催化劑。第一級1包含氧化側或域la、膜lb、反應側或域lc、可選的催化劑ld,和適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)?？蛇x的催化劑ld在此處顯示為緊接著模塊?？商鎿Q或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第二級3包含氧化側3a、膜3b、反應側3c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催化劑3d,其在此處顯示為緊接著模塊。可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第三級5包含氧化側5a、膜5b、反應側5c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催化劑5d?？蛇x的催化劑5d在此處顯示為緊接著模塊?？商鎿Q或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。最后一級或第n級7包含氧化側7a、膜7b、反應側7c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催化劑7d,其在此處顯示為緊接著模塊?？商鎿Q或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。通過產(chǎn)物管線7e提取來自最后一級7的產(chǎn)物氣體。在圖l中，級間反應氣體通過流道le乂人級1流出，通過流道3e乂人級3流出，并通過流道5e從級5流出。在一個實施方案中，級l、3和5中的每一級可以分別封裝于壓力容器中；在這種情況下，流道le、3e和5e是容器之間的管路、導管線(conduit)或密閉通道。在另一個實施方案中，級l、3、5和7可以封裝于單獨一個壓力容器中(未顯示)，使反應氣體能夠連續(xù)流過每級的反應域；在這種情況下，流道le、3e和5e是級間的開放區(qū)，通過這些流道，氣體能夠從一級的反應氣體出口區(qū)流入下一級的反應氣體入口區(qū)。每級與下游級和/或上游級相鄰；第一級與下游級相鄰，最后一級與上游級相鄰，而所有其它級與上游級和下游級相鄰。術語"上游"和"下游"相對于反應氣體的流向而定義。每級中的氧化域和反應域彼此分開，使通過氧化域的大量氧化氣流和通過反應域的大量反應氣流各自分開而且互相獨立。將氧化域與反應域分開的膜可以防止域之間存在任何明顯的大量氣流，并允許氧通過膜從氧化域滲透至反應域。某些情況下，因為膜中的瑕瘋，可以發(fā)生小量4旦可以接受的泄漏。將氧化氣體，例如預熱的空氣或來自使用過量空氣的燃燒室的含氧燃燒產(chǎn)物，通過氧化入口管線9引入第一級1的氧化側la,并與膜lb的氧化側接觸，部分氧滲透過膜lb,而貧氧氣體通過貧氧氧化出口管線ll流出第一級l。相似地，可以將其它氧化氣流通過管線13、15和19分別引入級3、5和7,而貧氧氣體可以分別通過管線21、23和25流出各級?？商鎿Q地，部分或全部氧化氣體可以通過管線27、29和31流過串聯(lián)的兩個或更多級。在一個實施方案中，例如，氧化氣體可以流過管線9、27和21，使級1和3對氧化氣體串聯(lián)才喿作；相似地，單一的氧化氣流可以為一對下游級提供氧化劑。因此各級可以針對氧化氣流單獨操作，可以針對氧化氣流串聯(lián)操作，或者可以針對氧化氣流采用任何單獨操作和串聯(lián)操作的組合?？梢允褂醚趸瘹怏w入口和出口歧管(未顯示)將氧化氣體引入多級的氧化域，并從多級的氧化域提取貧氧的氧化氣體。其它氧化氣體流動結構可能替換上述結構。例如，氧化氣體可以與活性氣流逆流，相對于活性氣流錯流，或以任何其它方式，向膜的氧化域一側提供充足的氧化氣體。反應氣體可以通過歧管27進入多級反應器系統(tǒng)，可以通過管線29提取出第一部分，并與管線31中提供的另一種反應氣體(例如蒸汽)合并，可以通過反應氣體入口管線33將合并氣體引入第一級1的反應側lc。可以通過任何的反應級間進料氣體管線35、37和39將其它部分的反應氣體從歧管27提取出，并作為反應級間進料氣體分別引入級間反應氣體流道le、3e和5e中的任何個。可替換地，可以將反應級間進料氣體直接引入任何級的反應側和/或任何催化劑ld、3d、5d和7d的上游。歧管27中的反應氣體可以包含一種或多種烴，還可以包含水、一氧化碳、二氧化碳和氫氣中的任何組分。例如，歧管27中的反應氣體可以是預重組的天然氣，其包含甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氬氣和水。通過管線31提供的反應氣體可以是，例如，氣化水(蒸汽)?？梢酝ㄟ^歧管41提供額外的反應氣體，所述反應氣體的來源不同于管線27中反應氣體的來源，也不同于通過管線31提供的反應氣體的來源?？梢酝ㄟ^管線29、43、45和47的4壬何管線將這種額外的反應氣體引入任何的第一級l、管線le中的級間反應氣體、管線3e中的級間反應氣體和進入最后一級或第n級7的級間氣體中。可替換地，可以將額外的反應氣體引入任何催化劑ld、3d、5d和7d的上游。這種額外的反應氣體可以是，例如，含氧氣體，其包含從下游過程獲得的二氧化碳，所述下游過程使用來自管線7e的產(chǎn)物氣體。額外的反應氣體可以包含來自使用來自管線7e的產(chǎn)物氣體的下游過程的未反應的排放氣體，和/或可以包含來自使用來自管線7e的產(chǎn)物氣體下游過程的經(jīng)過部分重組的未反應的排放氣體?？梢匀缙谕?，在級5和最后一級7之間使用任何數(shù)目的額外級。上述任何管線中的氣體流動速率可以通過本領域已知的控制閥門或其它流動設備(未給出)調節(jié)?？商鎿Q或額外地，任何氣流的溫度可以通過使用本領域已知的方法加熱和/或冷卻(未給出)而控制?？梢詫ê鯕怏w的各種反應氣體類型組合引入圖1的分級膜氧化反應器系統(tǒng)中才莫塊的反應側。在一個實施方案中，例如，可以將預重組天然氣通過歧管27和管線29、35、37和39引入反應器級，可以將蒸汽通過管線31和33引入第一級1。在這個實施方案中，沒有通過歧管41和管線29、43、45和47提供額外的反應氣體。在另一個示例性的實施方案中，可以將預重組的天然氣和蒸汽通過管線31和33引入笫一級，可以將含二氧化碳的氣體(例如，來自下游過程的循環(huán)氣體)通過歧管41和管線43、45和47中的任何管線引入系統(tǒng)。下游過程可以是烴合成過程(例如，F(xiàn)ischer-Tropsch過程)或氧化烴的合成過程(例如，乙醇合成過程)。下游過程可以使用由圖1的分級氧化反應器系統(tǒng)產(chǎn)生的合成氣。在這個實施方案中沒有使用歧管27和管線29、35、37和39。可能有其它實施方案，其中將不同來源反應氣體的組合引入反應器級。例如，可以通過歧管27和管線29、35、37和39將預重組的天然氣提供給分級反應器系統(tǒng)，可以將蒸汽通過管線31引入系統(tǒng)，而可以將含二氧化碳的氣體(例如，來自下游過程的循環(huán)氣體)通過歧管41和管線43、45和47中的任何管線引入系統(tǒng)。在另一個實例中，反應氣體包含預重組的天然氣、含二氧化碳的額外的反應氣體、和蒸汽，將所述反應氣體通過歧管27和管線29、35、37和39提供給分級反應器系統(tǒng)，可以將蒸汽通過管線31引入系統(tǒng)。在這種情況下沒有使用歧管41和管線43、45和47。圖2的示意流程圖中闡明了本發(fā)明的另一個實施方案，其中膜氧化系統(tǒng)包含笫一級201、第二級203、第三級205和最后一級或第n級207?？梢允褂萌魏螖?shù)目的級，只要至少是兩級。每級圖示為通用模塊，所述模塊具有氧可透過的膜，膜將模塊分成氧化側或域和滲透或反應側或域。如前文所解釋的，一級可以包含任何數(shù)目的串聯(lián)和/或并聯(lián)放置的膜模塊，可以包括選自下組的一種或多種催化劑氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑和水煤氣變換催化劑。第一級201包含氧化側201a、膜201b、反應側201c、可選的催化劑201d，和適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)。可選的催化劑201d在此處顯示為緊接著^t塊。但是可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第二級203包含氧化側203a、膜203b、反應側203c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催化劑203d,其在此處顯示為緊接著^t塊?？商鎿Q或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第三級205包含氧化側205a、膜205b、反應側205c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催4匕劑205d?？蛇x的催化劑205d在此處顯示為緊接著模塊。但是可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。最后一級或第n級207包含氧化側207a、膜207b、反應側207c，適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和可選的催化劑207d,其在此處顯示為緊接著模塊。可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。可以通過產(chǎn)物管線207e提取來自最后一級207的產(chǎn)物氣體。級間反應氣體通過管線201e從級201流出，通過管線203e從級203流出，和通過管線205e從級205流出。將氧化氣體，例如預熱的空氣或來自使用過量空氣的燃燒室的含氧燃燒產(chǎn)物，通過管線209引入第一級201的氧化側201a，并與膜201b的氧化側接觸，部分氧滲透過膜201b,而貧氧氣體通過管線211流出第一級201。相似地，可以將其它氧化氣流通過管線213、215和219分別引入級203、205和207，而貧氧氣體可以分別通過管線221、223和225流出各級。天然氣作為反應氣體通過管線227提供，與來自管線229的蒸汽混合，將混合物在預熱器231中加熱，加熱的混合物通過管線233流至蒸汽-曱烷重組器235。可以通過管線237加入氫，在重組器中用于進料氣體脫硫(未顯示)，如蒸汽-甲烷重組領域通常進行的。部分重組或200810125406.7說明書第16/41頁預重組的氣體通過管線239流出重組器，可選地與管線241中的反應氣體(例如，來自下游過程的循環(huán)氣體)混合，形成反應進料氣體，流過歧管243。下游過程可以是烴合成過程(例如，F(xiàn)ischer-Tropsch過程)或氧化烴的合成過程(例如，乙醇合成過程)。下游過程可以利用圖2中分級氧化反應器系統(tǒng)產(chǎn)生的合成氣。反應進料氣體可以處于600至115(TC的溫度和2至40atma的壓力下，氣體通常包含甲烷、水、氫氣、二氧化碳和一氧化碳。通過管線245的第一部分反應氣體進料與管線247中提供的蒸汽混合，混合的反應進料氣體流入第一級201的反應側201c，在此處與通過膜201b滲透過來的氧發(fā)生反應，流經(jīng)任選的催化劑201d,通過流道201e，作為級間反應氣體流動。通過管線249提取來自歧管243的笫二部分反應氣體，提供反應級間進料氣體，其與流道201e中的級間反應氣體混合。然后，混合氣體流入第二級203的反應側203c,在此處與通過膜203b滲透過來的氧發(fā)生反應，流經(jīng)任選的催化劑203d,通過流道203e,作為級間反應氣體流動。或者，可以將管線249中的反應級間進料氣體直接引入級203的反應側或域和/或催化劑201d的上游。通過管線251提取來自歧管243的第三部分反應氣體，提供反應級間進料氣體，其與流道203e中的級間反應氣體混合。然后，混合氣體流入第三級205的反應側205c,在此處與通過膜205b滲透過來的氧發(fā)生反應，流經(jīng)任選的催化劑205d,通過流道205e，作為級間反應氣體流動?；蛘?，可以將管線251中的反應級間進料氣體直接引入級205的反應側和/或催化劑203d的上游。通過管線253提取來自歧管243的第四部分或第n部分反應氣體，以提供反應級間進料氣體，其與流道205e中的級間反應氣體混合。然后，混合氣體流入最后一級或第n級207的反應側207c，在此處與通過膜207b滲透過來的氧發(fā)生反應，流經(jīng)任選的催化劑207d,通過流道207e,作為級間反應氣體流動?；蛘撸梢詫⒐芫€253中的反應級間進料氣體直接引入級207的反應側和/或催化劑205d的上游。產(chǎn)物氣體可以處于600至115(TC的溫度和2至40atma的壓力下，氣體通?？砂瑲錃?、一氧化碳、水、二氧化碳和曱烷。在第三級205和最后一級207之間可以按照期望使用任何數(shù)目的額外級。在上述圖2中，級間反應氣體通過流道201e乂人級201流出，通過流道203e從級203流出，和通過流道205e從級205流出。在一個實施方案中，級201、203、205和207中的每一級可以分別封裝于壓力容器中；在這種情況下，流道201e、203e和205e是容器之間的管路、導管或密閉通道。在另一個實施方案中，級201、203、205和207可以封裝于一個壓力容器中(未顯示)，使反應氣體能夠流過連續(xù)的每個級的反應域；在這種情況下，流道201e、203e和205e是級間的開放區(qū)，通過這些開放區(qū)，氣體能夠從一級的反應氣體出口區(qū)流入下一級的反應氣體入口區(qū)。圖3中表示了圖2的系統(tǒng)中選擇的實施方案。在這個示例性的實施方案中，使用了20個反應器級，為方便控制，將20個反應器級分成兩組，每組10級，級301至319為第一組，而級321至341為第二組。將預重組的進料氣體作為反應進料氣體，通過管線343引入。參照圖2，所述氣體與上述管線243中的反應進料氣體相似。反應進料氣體通過一級歧管345流動，分裂開來，分別流經(jīng)二級歧管347和349。通過管線351向第一級301通入蒸汽。反應進料氣體流經(jīng)第一級301的反應側，而級間反應氣體在連續(xù)的級間流動，參照圖2，如上所述，流經(jīng)級319。來自第一組的級301-319的級間反應氣體通過管線353流動，然后流經(jīng)第二組的級321-341中連續(xù)級的反應側。合成氣產(chǎn)物通過管線355從系統(tǒng)流出。第一組的級301-319可以安裝在單個壓力容器中(未顯示)，其中級間反應氣體流經(jīng)級間的開放流動區(qū)，并將來自歧管347的反應氣體注入級間的各個流動區(qū)。將歧管347中的反應進料氣體分成10部分單獨的流體，這些流體中的第一部分提供管線357中的反應進料氣體，其與管線351中的流體進料混合。其余9部分反應氣流提供級間進料氣流，其與級301至309附近成對級之間相應的級間反應氣流混合。相似地，將歧管349中的反應進料氣體分成10部分單獨的流體，提供反應級間進料氣流，其與級321至341附近成對級之間相應的級間反應氣流混合。第二組的級321-341可以安裝在單個壓力容器中(未顯示)，其中級間反應氣體流經(jīng)級之間的開放流動區(qū)，并將來自歧管349的反應氣體注入級間的各個流動區(qū)。歧管347可以設計用來給流入級309至319的反應氣體提供大致相等的流速；或者，為了控制反應，歧管可以設計用來給每級或每組級提供不同的流速。相似地，歧管349可以設計用來給流入級321至341的反應氣體提供大致相等的流速；或者，為了控制反應，歧管可以設計用來給每級或每組級提供不同的流速。通過管線359將經(jīng)過預熱的第一氧化氣體引入歧管361，并將其分成10部分，向所示的級301至319的氧化側提供氧化氣體。通過管線363將第二種預熱的氧化氣體引入歧管365,并將其分成10部分，向所示的級321至341的氧化側提供氧化氣體。經(jīng)過預熱的第一和第二氧化氣體可以由通常的上游加熱器提供(未顯示)，可以通過空氣加熱到600至1150。C。氧滲透過級中的膜，與上述級中反應側的反應性組分發(fā)生反應。通過與歧管367連接的管線從級301-319提取貧氧的未滲透氣體，并通過管線369排放。相似地，通過與歧管371連接的管線從級321-341提取貧氧的未滲透氣體，并通過管線373排放。熱能和/或壓力能量可以通過本領域描述的任何已知方法，從提取的未滲透氣體中回收。歧管361可以設計用來給流入級301至319的氧化氣體提供大致相等的流速；或者，歧管可以設計用來給每級或每組級提供不同的流速，例如，為了控制反應和/或溫度。相似地，歧管365可以設計用來給流入級321至341的反應氣體提供大致相等的流速；或者，歧管可以設計用來給每級或每組級提供不同的流速，例如，為了控制反應和/或溫度。通過控制流入各級的反應氣體和氧化氣體的流速，和控制級中的操作條件，可以調節(jié)級中的溫度和級間的反應。這可以通過如下實現(xiàn)例如，通過控制閥375和377,分別控制進入歧管347和349的反應氣體的流速，和/或通過控制閥379和381,分別控制進入歧管361和365的反應氣體的流速。例如，對進入級組301至319的反應氣體的控制可能會受到溫度指示器/控制器383的影響，383通過控制管線385向控制閥375發(fā)送控制信號。相似地，對進入級組321至341的反應氣體的控制可能會受到溫度指示器/控制器389的影響，389通過控制管線391向控制閥377發(fā)送控制信號。在另一個實例中，溫度指示器/控制器383可以安裝在貧氧的未滲透氣體歧管367上(未顯示)和/或貧氧的未滲透氣體提取管線369上(未顯示)。相似地，溫度指示器/控制器389可以安裝在貧氧的未滲透氣體歧管371上(未顯示)和/或在貧氧的未滲透氣體提取管線373上(未顯示)。對流入級組301至319的氧化氣體的控制可以，例如，受到控制閥379的影響，控制閥379位于級中氧化氣流上游(如所示)，或位于級中貧氧未滲透氣流的下游(未顯示)。相似地，對流入級組321至341的氧化氣體的控制可以例如，受到控制閥381的影響，控制閥381位于級的氧化劑氣流上游(如所示)，或位于級的貧氧未滲透氣流的下游(未顯示)。在典型的實施方案中，流入級的氧化氣體的流速可以不同，以維持從級提取的貧氧未滲透氣體中的目的氧濃度，例如通過歧管367和371。例如，氧濃度可以由位于歧管367和/或提取管線369的氧分析儀/指示器控制器(未顯示)監(jiān)控，所述控制器可以通過控制管線(未顯示)向控制閥379發(fā)送控制信號。相似地，氧濃度可以由位于歧管371和/或提取管線373的氧分析儀/指示器控制器(未顯示)監(jiān)控，所述控制器可以通過控制管線(未顯示)向控制閥381發(fā)送控制信號。滲透氧在膜間的流速還可受到級中操作條件(例如壓力和/或溫度)的影響，特別在膜滲透表面的附近。在另一個實施方案中，在一個級或串聯(lián)級中，流入一個級或串聯(lián)級的任何或全部進料氣體(例如反應進料氣體、反應級間進料氣體和/或氧化氣體)可以省略或忽略其對溫度和/或反應的影響。上述分級ITM反應器系統(tǒng)使用反應氣流，可以包括氧氣、蒸汽、烴、蒸汽與烴進料氣體的預重組混合物、氫氣、一氧化碳、二氧化碳，和/或含二氧化碳的氣體中的任何氣體。在分級反應器系統(tǒng)中發(fā)生的反應可以包括，例如，部分氧化、完全氧化、蒸汽重組、二氧化碳重組、水煤氣變換，和其組合，以產(chǎn)生合成氣。在這些反應中，某些是強放熱反應，而其它的是吸熱反應。因為ITM系統(tǒng)通常要求較窄的操作溫度范圍，因此要求對放熱和吸熱反應進行正確的控制。上述實施方案是本質穩(wěn)定的操作，其中可以將膜系統(tǒng)的溫度控制在要求的范圍之內。上述多個反應級的膜氧化系統(tǒng)使用串聯(lián)的至少兩級，使用的串聯(lián)級可以多達10級、多達20級、多達100級，或者甚至超過100級，依賴于特定的操作和產(chǎn)物要求。實施方案可以設計用來產(chǎn)生合成氣，但是可以用于任何氧化或部分氧化過程，所述過程使用通過離子傳輸膜的滲透而提供的氧。當用于產(chǎn)生合成氣時，氧化氣體通常是預熱的空氣，并將蒸汽引入第一個反應級的反應側。將反應氣體，例如預重組的天然氣，分成多部分蒸汽(不必需要相等)，然后將流體引入多個反應器級。在某些實施方案中，優(yōu)選的是，當每級均提供相應反應的催化劑時，每級中的反應氣體在發(fā)生蒸汽重組反應、二氧化碳重組反應，和/或水煤氣變換反應時都接近化學平衡。進入級、流出級，和/或從任選的催化劑(例如圖1中的催化劑ld)流出的反應氣體因此可以在發(fā)生這些反應時處于或接近于化學平衡。為了將溫度漂移(excursion)降至最低，并使每級中的反應都在處于或者接近于平衡的狀態(tài)下操作，可以將蒸汽流引入如圖2和3所示的第一級中的反應側。對于指定的氣體混合物，本文中的術語"接近平衡的溫度"定義為氣體混合物的實際溫度和溫度計算值之間的溫差絕對值，在所述計算值，氣體混合物中的指定反應物處于化學平衡?？梢詫怏w混合物作為一個整體考慮，或者針對氣體混合物中特定反應物進行的特定反應(例如蒸汽重組、二氧化碳重組，和/或水煤氣轉換反應)，來表述接近平衡的溫度。典型的接近平衡的溫度可在0至100。F的范圍，而通?？梢栽?至20。F的范圍。當催化劑置于膜上或膜附近時，在級的模塊中將發(fā)生這種接近的情況；當催化劑如圖l和2所示置于膜模塊之后時，在催化劑模塊的出口將發(fā)生接近平衡的情況。當催化劑置于膜模塊之前時，膜模塊之前將發(fā)生接近平衡的情況?？梢酝ㄟ^改變提供給每級的反應氣體的量和分布，控制每級中模塊的反應側溫度(因此可以控制整個級的溫度)。每級的反應側通常富含反應物(例如，富含可氧化物質)，而通過限制膜間的氧滲透速率，可以限制使溫度提高的放熱氧化反應。吸熱的重組反應使溫度下降，通常通過對催化劑活性和通入每級的烴的量，特別是曱烷的量，限制對吸熱的重組反應。通過在多級中進行全部反應，可以在每級中或每級間提供充足的催化劑，從而針對級中發(fā)生的反應，使從該級流出的氣體組合物在進入下一級之前接近平衡。這有效地調整或調節(jié)了催化劑活性，通過通入每級作為反應級間進料氣體的烴的量，特別是甲烷的量，限制吸熱的重組反應和每級中相關的溫度下降。因此，可以使用進入每級的烴的進料速率用于控制級中和/或級的出口處的氣體組成和溫度，可以通過控制烴進料速率使氣體的組成和溫度達到接近平衡。較高的經(jīng)進料速率將易于通過吸熱的重組反應而冷卻氣體混合物，而較低的烴進料速率將易于通過限制吸熱的重組反應而獲得更高的溫度，其中吸熱的重組反應可冷卻反應氣體混合物。如果操作氧化反應系統(tǒng)，使至少某些反應級不能在處于或接近平衡的情況下操作，那么則可以使用進入每級的各種烴進料速率來控制級中和/或級出口處的氣體組成和溫度。較高的烴進料速率和進料濃度將導致吸熱的重組反應速率增加，從而易于冷卻氣體混合物，而較低的烴進料速率和進料濃度將導致吸熱的重組反應速率降低，因此易于獲得更高的溫度。膜氧化反應系統(tǒng)中所用的膜材料必須在特定的溫度范圍內操作。根據(jù)準則制定溫度上限，所述準則包括材料的動力學分解、膜的機械蠕裂、使用含鐵氧化物的系統(tǒng)中鐵揮發(fā)的程度、在存在揮發(fā)鐵時合成氣環(huán)境中膜的穩(wěn)定性、可能的催化劑壽命問題和其它準則。基于下述準則制定溫度下限發(fā)生二氧化碳誘導的膜降解的可能性(后面討論)、相位降解和其它準則。上述實施方案提供基于膜的氧化反應系統(tǒng)，其在穩(wěn)態(tài)操作、啟動、關閉、降負荷運轉和從過程的不正常狀態(tài)還原的過程中，提供本質上穩(wěn)定的性能。這可以通過在進行穩(wěn)定而可靠的膜操作所需的氣體分解和溫度的范圍中控制系統(tǒng)而實現(xiàn)?；旌系膫鲗越饘傺趸锬ず湍つK是易碎的陶瓷基體。陶瓷材料中會因為溫度和組成梯度而積累機械應力，而這些應力能夠損害膜以及膜模塊中的連接和密封。使用反應分級膜反應器可以使反應器系統(tǒng)的陶瓷組件中的這種熱梯度和濃度梯度最小化。進料氣體中的含烴的組分可以在ITM氧化反應器的操作溫度下形成元素碳(煙灰)，所述過程通?？梢栽?00至U50。C(1112至2101。F)的范圍內操作。在某些反應性氣體組成范圍內，在這些溫度時，會在ITM模塊、控制閥和內部管道中形成不期望有的煙灰。隨著溫度降低，煙灰形成的可能性降低，而在600至75(TC(1112至1382°F)的范圍內形成煙灰的可能性低于較高的ITM操作溫度，即850至1150°C(1562至2102°F)。在500至650。C(932至1202°F)的溫度范圍內及以下，形成煙灰的可能性進一步降低，而且易于處理?？梢酝ㄟ^使用上述反應分級成和溫度進行適當?shù)目刂?，實現(xiàn)避免煙灰形成的操作。使用反應分級的ITM反應器系統(tǒng)使得可以在顯著低于ITM模塊的操作溫度的溫度下引入反應氣體，這使反應氣體進料系統(tǒng)可以在更低的溫度操作。結果是，反應氣體進料系統(tǒng)的組件可以不需要昂貴的高溫合金。在ITM氧化反應器系統(tǒng)的操作中可能出現(xiàn)的其它問題可以通過使用上述反應分級實施方案最小化或消除。例如，因為制造、安裝和/或操作中的不同，膜模塊之間的氧氣流可能不同。通過將反應器系統(tǒng)根據(jù)反應氣體分級，可以使用控制方案，使反應器系統(tǒng)能夠耐受系統(tǒng)中多個膜模塊間氧氣流的合理變化。通過控制各級間的反應級間進料氣體的流動和/或組成，可以補償模塊間的流量差異。也可以使用反應分級操作來解決與ITM氧化反應器系統(tǒng)的啟動、降負荷運轉、過程故障和關閉有關的操作問題。上文中，針對從天然氣產(chǎn)生合成氣，對反應分級膜氧化反應器系統(tǒng)進行了闡述。系統(tǒng)可替換地可以用于其它氧化或部分氧化過程，例如，比甲烷更重的烴的燃燒(例如為了產(chǎn)生能量、蒸汽或熱量)或重組。在合成氣產(chǎn)生的領域中眾所周知的是，向通入蒸汽-甲烷重組器的烴中注入C02可以有效地降低合成氣產(chǎn)物中的H2/CO摩爾比。經(jīng)常要求在通入下游化學過程的合成氣中提供特定的H2/CO摩爾比。從合成氣產(chǎn)物中分離的C02能夠循環(huán)至重組器進料，或者C02能夠為此目的而從外源通入。例如，來自下游Fischer-Tr叩sch(F-T)烴合成過程的含C02排放氣體可以循環(huán)至合成氣產(chǎn)生過程的進料，將合成氣產(chǎn)物的H2/CO摩爾比調整至約2:1，如F-T過程所要求的。這個外部循環(huán)步驟不需要酸性氣體去除系統(tǒng)來從產(chǎn)生的合成氣中去除C02;取而代之的是，將包含約60體積。/。CO2的F-T排放氣體在高溫回收，并與其它有用組分一起循環(huán)，所述其它組分包括輕質烴、H2和CO。這個外部循環(huán)步驟還可以減少C02排放，同時提高碳轉化成為有用產(chǎn)品的效率。只需要適度的壓縮來克服合成氣產(chǎn)生過程和F-T過程中的壓力下降。對于使用蒸汽-碳(S/C)摩爾比為1.5的全部反應進料氣體操作的ITM氧化過程，其期望將曱烷滑脫(即產(chǎn)物合成氣中的未反應甲烷)和碳沉積降至最小，產(chǎn)物合成氣中H2/CO的摩爾比應為約3:1(參照下述實施例1)。如上所述，F(xiàn)ischer-Tropsch(F-T)反應器系統(tǒng)通常要求H2/CO的摩爾比約為2:1。其它過程甚至要求更低的H2/CO比例；例如，某些氧代醇(oxo-alcohol)的合成過程要求合成氣進料中的H2/CO比例為1:1。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在通過ITM氧化反應器生產(chǎn)合成氣的過程中，高濃度的C02可以與膜中所用的材料反應并將其分解。術語"分解"或"分解的"指初始的膜組成或化學計量發(fā)生了改變，例如通過與C02反應。示例性的膜是由堿土金屬(例如，Ca)、過渡金屬和鑭或鑭系元素組成的復合多組分金屬氧化物。這些材料與C02發(fā)生反應的驅動力是形成堿土碳酸鹽例如CaC03的自由能為大的負數(shù)。在存在C02時鈣鈦礦分解的代表性化學反應可以用平衡條件時的C02分壓pco2表示，其可定義為pC02*。當C02分壓低于pco^時，通過C02反應進行的分解不會發(fā)生，膜材料將是穩(wěn)定的。當C02分壓高于pco^時，膜材料將通過與C02反應而分解。pco,的值是溫度、氧分壓和膜組成的函數(shù)，而pco,通常隨著溫度下降而下降。此外，ITM氧化反應器中使用的膜具有操作溫度上限，其由其它現(xiàn)象定義，例如，動力學分解、過量的材料蠕變、過渡金屬(例如Fe)的還原或揮發(fā)，和可能的催化劑壽命問題。通過提供方法以循環(huán)膜反應器系統(tǒng)中的C02來控制產(chǎn)物合成氣的H2/CO比例，同時確保在膜反應器系統(tǒng)中pco2始終保持低于pC02*，從而使本發(fā)明的實施方案可以用于解決膜分解的問題。使用反應分級膜氧化反應器系統(tǒng)，可以控制在級間引入二氧化碳，使所有級中的pco2都保持低于pC02*。較低的二氧化碳濃度使操作溫度限制較低，從而使操作溫度區(qū)(temperaturewindow)更大，并因此對過程控制的約束更松馳，提供更具有操作性的過程。如下面所詳述，pco,是溫度的強函數(shù)，而向膜反應器系統(tǒng)中引入含C02氣體可以方便地通過下述方式完成將含C02氣體分成兩份或更多的反應級間進料氣流，在反應分級ITM氧化系統(tǒng)的選定級之間注入?？梢詫⒑珻02的氣體注入反應器系統(tǒng)中的一個或多個級間點，其中溫度越高，得到的pcmM直就越高。圖4中以示意圖形式闡述了這個實施方案。示例性的反應-分級膜氧化系統(tǒng)包含第一級401、第二級403、第三級405和最后或第n級407。每級圖示為通用模塊，所述模塊具有氧可滲透過的膜，其將模塊分成氧化側和滲透或反應側。如前文所解釋的，一級可以包含任何數(shù)目的串聯(lián)和/或并聯(lián)的膜模塊，并且可以包括選自下組的一種或多種催化劑氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑和水煤氣變換催化劑?？梢允褂萌魏螖?shù)目的級，只要至少是兩級。第一級401包含氧化側401a、膜401b、反應側401c、任選的催化劑401d，和適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)。任選的催化劑401d在此處顯示為緊接著模塊。但是可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第二級403包含氧化側403a、膜403b、反應側403c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和任選的催化劑403d，其在此處顯示為緊接著模塊?？商鎿Q或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。相似地，第三級405包含氧化側405a、膜405b、反應側405c,適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和任選的催化劑405d。任選的催化劑405d在此處顯示為緊接著模塊。但是可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。最后級407包含氧化側407a、膜407b、反應側407c，適當?shù)臍怏w入口和出口區(qū)，和任選的催化劑407d，其在此處顯示為緊接著模塊。可替換或額外地，催化劑可以以任何期望結構置于緊鄰模塊的前方(未顯示)或模塊內或周圍(未顯示)。通過產(chǎn)物管線407e提取來自最后或第n級407的產(chǎn)物氣體。級間反應氣體通過管線401e從級401流出，通過管線403e從級403流出，和通過管線405e從級405流出。將氧化氣體，例如預熱空氣或來自使用過量空氣的燃燒室的含氧燃燒產(chǎn)物，通過氧化入口管線409引入第一級401的氧化側401a，并與膜401b的氧化側接觸，部分氧滲透過膜401b,而貧氧氣體通過貧氧氧化物出口管線411流出第一級401。相似地，可以將其它氧化氣流通過管線413、415和419分別引入級403、405和407,而貧氧氣體可以分別通過管線421、423和425流出各級。反應氣體，例如，預重組的天然氣，通過管線427提供，與來自管線429的蒸汽混合，并將混合的反應氣體進料SI入級401的反應側401c。通過管線431提供另一種包含反應組分的氣流，其與通過管線427提供的反應氣流的來源不同。管線431中的氣體可以，例如，從下游過程排放，所述過程使用圖4中分級氧化反應器系統(tǒng)產(chǎn)生的合成氣。下游過程可以是烴合成過程(例如Fischer-Tropsch過程)或氧化烴的合成過程(例如醇合成過程)。在下文將詳細描述的一個實施方案中，管線431中的氣體是Fischer-Tropsch烴合成反應器系統(tǒng)的排放氣體，其中包含占主要濃度的。02、較小濃度的H2和C0，和一些未反應的CH"管線431中的氣體任選地與通過管線433提供的蒸汽結合，在預熱器435中加熱混合物，然后將加熱的混合物引入蒸汽-曱烷重組器437,其中一些未反應的甲烷可以轉化成為額外的H2和碳氧化物。在某些情況下，不需要在循環(huán)前將排放氣體重組，也不需要重組器437。部分重組的排放氣流通過歧管439流動，將其分成在管線441、443和445中的單獨的流體，且這些蒸汽任選地在熱交換器447、449和451中加熱，以提供管線453、455和457中的反應級間進料氣體。第一級401中反應側401c中的反應氣體進料與滲透氧發(fā)生反應，可以通過任選的催化劑401d促進重組和/或變換反應，而第一級的流出物通過流道401e流動。通過管線453提供反應級間進料氣體，其與流道401e中的第一級流出物混合，混合的級間反應氣體流入笫二級403的反應側403c?；蛘?，可以將管線453中的反應級間進料氣體直接引入級403的反應側和/或催化劑401d的上游。第二級403反應側403c中的氣體與滲透氧發(fā)生反應，可以通過任選的催化劑403d促進重組和/或變換反應，而第二級的流出物通過流道403e流動。通過管線455提供進料級間進料氣體，其與流道403e中的第二級流出物混合，混合的級間反應氣體流入第三級405的反應側405c?；蛘?，可以將管線455中的反應級間進料氣體直接引入級405的反應側和/或催化劑403d的上游。第三級405反應側405c中的氣體與滲透氧發(fā)生反應，可以通過任選的催化劑405d促進重組和/或變換反應，而第三級的流出物通過流道405e流動。通過管線457提供反應級間進料氣體，其與流道405e中的第三級流出物混合，混合的級間反應氣體流入最后一級407的反應側407c?；蛘?，可以將管線457中的反應級間進料氣體直接引入級407的反應側和/或催化劑405d的上游。最后一級407反應側407c中的氣體與滲透氧發(fā)生反應，可以通過任選的催化劑407d促進重組和/或變換反應，而最后一級的流出物通過流道407e流動。產(chǎn)物氣體可以處于600至115(TC的溫度和2至40atma的壓力下，氣體通常包含氫氣、一氧化碳、水、二氧化碳和曱烷。在第三級405和最后一級407之間，如果需要的話，可以使用任何數(shù)目的額外級。在上述圖4中，級間反應氣體通過流道401e從級401流出，通過流道403e從級403流出，和通過流道405e從級405流出。在一個實施方案中，級401、403、405和407中的每一級可以分別封裝于壓力容器中；在這種情況下，流道401e、403e和405e是容器之間的管路、導管或密閉通道。在另一個實施方案中，級401、403、405和407可以封裝于單個壓力容器中(未顯示)，使反應氣體能夠通過連續(xù)的每個級的反應域；在這種情況下，流道401e、403e和405e是級間的開放區(qū)，通過這些通道，氣體能夠從一級的反應氣體出口區(qū)流入下一級的反應氣體入口區(qū)。當為控制產(chǎn)物合成氣中H2/CO比例的目的而使用富含C02的氣體(例如，來自外部過程的循環(huán)氣體)時，圖4的實施方案特別有用。如上所提及，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)膜中所用的混合傳導性金屬氧化物材料可以與C02反應，而且當反應氣體中的C02分壓，pC02,大于定義為pco^的臨界閾值分壓時，膜會降解或分解。因此，應該如下所述控制反應器級中的C02分壓，使膜的降解降至最小化，或者消除膜降解。在圖4的過程中，期望反應進料氣體中的蒸汽對碳(S/C)摩爾比約為1.5,從而可將系統(tǒng)中的甲烷滑脫和碳沉積降至最小。使用這種反應進料氣體，產(chǎn)物合成氣H2/CO摩爾比將為約3:1。向流入第一級401的反應進料氣體中注入富含C02的氣流，可以有效降^f氐產(chǎn)物的H2/CO比例，使其達到下游化學過程要求的水平。例如，對于Fischer-Tropsch烴合成過程，這個比例應為約2:1。然而，在CC)2分壓大于臨界閾值pcoZ時，膜材料可以與C02反應并分解?？梢酝ㄟ^操作膜反應系統(tǒng)，使系統(tǒng)中的pco2始終小于Pco2g而避免膜材料的分解，從而能夠增加膜的使用壽命。當向流入第一級的反應氣體進料引入全部的循環(huán)C02時，可能并不可能維持pC02小于pC02*。圖5表明了在ITM反應器系統(tǒng)中，對于典型的材料Lao.9CacuFe03-s，Pcc^是溫度和氧分壓的函數(shù)。其中3值使化合物的電荷中和。根據(jù)這些材料表現(xiàn)出來的復雜的相平衡進行熱力學計算，產(chǎn)生該圖。合成氣流的氧分壓Po2本身根據(jù)熱力學計算確定，而不是直接測定；它也是溫度和合成氣組成的強函數(shù)。因為pco,是溫度的強函數(shù)，所以在通常使用的較低溫度的入口條件下向膜反應器系統(tǒng)注入C02會產(chǎn)生問題。因為合成氣產(chǎn)生過程是凈放熱的反應，而且反應氣體的溫度沿著反應器的長度方向升高。在反應器系統(tǒng)中的一個或多個中間點注入C02是有優(yōu)勢的，其中溫度越高，Pco2*數(shù)值就越高。當C02注入氣流溫度顯著低于進入膜反應器的反應進料氣流，而注入本身導致溫度顯著下降時，這特別有益。在這種情況下，將co2注入氣流如上所述分成多個中間注射流，這樣能夠緩解每個注射點發(fā)生的溫度下降。通常不期望有顯著的溫度下降，因為會導致pco^值局部下降，還會導致膜中顯著的熱應力。如上所指出，在操作過程中，系統(tǒng)內始終維持Pco2<pco^對ITM反應器系統(tǒng)中膜的長期壽命有益。圖5是對于混合的傳導性金屬氧化物膜材料Lao.9Cao.iFe03-S,在不同的平衡02分壓下，pco^對溫度的關系圖線，完成維持pCQ2<pco^這個任務是最困難的。因為過程中的氧化反應是凈放熱的，而且反應氣體溫度沿著反應器長度方向升高，所以注入含C02的氣體最好在分級反應器系統(tǒng)中一個或多個中間點完成，其中較高的溫度和相應的氧分壓會導致顯著較高的pco2"直。只要能正確地消除冷卻效應，含C02的氣體提供的冷卻就將對過程有益，因為其它材料要求膜具有操作溫度上限。由含C02的氣體提供的冷卻遵循一些機制，當在從入口至膜反應器的高溫區(qū)下游發(fā)生時，所有冷卻都是最有益的。顯然，含C02的氣流能夠提供好的冷卻。此外，C02的存在產(chǎn)生吸熱的逆變換反應和吸熱的co2重組反應；當這些反應在膜表面上或附近發(fā)生時，它們提供有益的膜冷卻。此外，存在于含C02氣流中的任何烴組分可以在膜上進行吸熱的重組反應，實現(xiàn)進一步的冷卻。最后，含C02氣體的中間注射產(chǎn)生較少的質量流，在膜反應器前端產(chǎn)生較低的壓力下降。上述實施方案說明了具有受控的H2/CO比例的ITM反應器系統(tǒng)產(chǎn)生合成氣的用途。所述實施方案可以應用于引入含C02的氣流的任何部分氧化反應。下述實施例說明了本發(fā)明的實施方案，但是不將本發(fā)明的實施方案限于本文所述的任何特定細節(jié)。實施例1使用AspenTechnology,Inc.的過程模擬器AspenPlusTM模擬與圖2和3相似的本發(fā)明的實施方案。模擬使用100個串聯(lián)的膜反應器級，其中反應氣體進料分成IO部分(不需要相等)，每部分分成10部分相等的子部分。將每個子部分通入相應級的入口，其中通入第一級的子部分與蒸汽混合，而其余每個子部分作為反應級間進料氣體提供，其與相應的級間反應氣流混合。模擬中使用下述具體的過程特征和參數(shù)*所有級中氧滲透的總量為1000kgmol/hr，每級中的氧流量平均分配為10kgmol/hr。*通入系統(tǒng)的反應進料中，總體的蒸汽:碳的摩爾比為1.5，其中蒸汽:碳的比例定義為總的水除以蒸汽中有機碳的總數(shù)；不包括包含在二氧化碳和一氧化碳里的碳。*天然氣具有下述組成94.73%曱烷、3.16%乙》克、0.54%丙烷、0.18%丁烷、0.06%戊烷、0.04%己烷、0.71%二氧化碳、0.58%氮氣(組成以摩爾百分比表示)。*向天然氣中添加少量的氫氣，主要用于脫硫，例如按照摩爾百分比計，加入總碳的大約3%。*通過預重組天然氣，向絕熱預重組器提供反應氣體進料，重組器的入口溫度為510°C,在其中轉化重于甲烷的烴。*所有級膜模塊中反應側的反應氣體壓力為30.3bara(440psia),而所有級膜模塊中氧化側的氧化氣體壓力是1.7bara(25psia)。將2142.9kgmol/hr的天然氣、67.3kgmol/hr的氫氣和1113.5kgmol/hr的蒸汽混合并加熱至510°C。將加熱的混合物在絕熱的預重組反應器中預重組，并于474。C離開絕熱的預重組反應器。將預重組混合物分成表1指定的部分。表1實施例1的反應進沖牛分布通入級組的預重組流入級組反應進料的分布臉級1至101級11至202級21至303級31至404級41至505級51至606級61至707級71至808級81至909級91至10010所有級總共3474.9100.0表1中1-IO部分中的每一部分都分成IO部分相等的子部分。將2227.1kgmol/hr的蒸汽預熱至875°C,并與部分1的第一個子部分混合，將混合物引入第一級的反應側。其它99個子部分(除了部分1的第一個子部分之外的所有子部分)作為反應級間進料氣流，每部分都分別與級間反應氣流混合，并分別通入99個級中每級的入口。于855。C向每級的氧化側提供空氣，而貧氧空氣從每級的氧化側排出。在本實施例中，向所有膜模塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在模塊中發(fā)生，并在100級反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。于900。C,以9442.2kgmol/hr從級100提取最終的合成氣產(chǎn)物，其組成為46.7%氫氣、3.0%曱烷、6.7%二氧化碳、14.1。/。一氧化碳、29.4%水和0.1%氮氣(組合物以摩爾百分比計)。表2給出了對模擬結果的總結，結果顯示了來自第一反應器級和后面每10級為一組的每組反應氣體溫度和組成。圖6顯示了每級入口和出口的反應氣體溫度與從反應進料入口(0)至產(chǎn)物出口(100)的100個反應器級組的百分數(shù)之間的關系曲線?？梢钥闯?，對反應器系統(tǒng)的分級操作可以將反應氣體溫度控制在850至90(TC這一優(yōu)選的膜溫度范圍內。反應氣體的溫度通常在前90級約為875。C，到最后10級升至卯0。C。由反應級間進料管線，向100級每兩級之間的級間反應氣體引入冷(474°C)的預重組反應進料氣體，由此可以產(chǎn)生鋸齒狀的溫度變化，利于對反應氣體冷淬。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage37</formula>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage38</column></row><table>實施例2使用與實施例1同樣的模擬方法和同樣的具體過程特征與參數(shù)，模擬實施例2中系統(tǒng)的操作，區(qū)別在于在膜模塊中不使用催化劑。取而代之的是，在每級的出口提供絕熱催化床(參見圖1和2),以平衡蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應。將2219.7kgmol/hr的蒸汽預熱至860。C并引入第一反應器級。將2135.8kgmol/hr天然氣、67.0kgmol/hr氬氣和1109.9kgmol/hr蒸汽混合并預熱至510。C,在絕熱預重組反應器中預重組，并于474。C從絕熱預重組反應器提取出來。將預重組混合物分成如表3指定的部分。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage39</column></row><table>將表3的每部分分成10個相等的子部分。將預熱蒸汽與部分1的第一個子部分混合，將混合物引入笫一級的反應側。其它99個子部分(除了部分1的第一個子部分之外的所有子部分)作為反應級間進料氣流，每部分都分別與級間反應氣流混合，并分別通入99個級中每級的入口。于855。C向每級的氧化側提供空氣，而從每級的氧化側提取貧氧空氣。最終的合成氣產(chǎn)物于900°C,以9413.1kgmol/hr從級100提取出來，其組成為46.7%氫氣、3.0%曱烷、6.7%二氧化碳、14.1%—氧化碳、29.5%水和0.1%氮氣(組成以摩爾百分比計)。表4給出了對模擬結果的總結，結果顯示了來自第一反應器級和后面每10級為一組的每組反應氣體溫度和組成。圖7顯示了每級入口和出口的反應氣體溫度與從反應進料入口(0)至產(chǎn)物出口(100)的100個反應器級組的百分數(shù)的關系曲線?？梢钥闯?，對于前90級，反應氣體的溫度在850至900。C這一期望的控制范圍內。反應氣體的溫度在最后IO級升至高于900°C，并于900。C從最后一級排出。鋸齒狀的溫度變化有利于每級中發(fā)生的放熱的部分和完全氧化反應，以及有利于該級后每個絕熱催化床中蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應的凈吸熱平衡。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage41</column></row><table>實施例3使用與實施例1同樣的模擬方法和同樣的具體過程特征與參數(shù)，模擬實施例3中系統(tǒng)的操作。將1505.3kgmol/hr天然氣、47.3kgmol/hr氫氣和782.2kgmol/hr蒸汽混合并預熱至510°C,在絕熱預重組反應器中預重組，并于474。C從絕熱預重組反應器排出。來自Fischer-Tropsch合成反應器的循環(huán)排放氣流，其組成為38.1%氫氣、11.7%曱烷、28.8%二氧化碳、19.10%—氧化碳、0.3%水和2.0%氮氣，以2631.5kgmol/hr,于38。C與預重組反應氣體混合。為了控制溫度，將得到的預重組混合物于282。C在100個ITM級中分配。使用循環(huán)氣體的量來控制來自反應器系統(tǒng)的合成氣產(chǎn)物中的H2/CO?；旌系姆磻M料氣體分成如表5指定的部分。實施例3的混合反應進料氣體分布<table>tableseeoriginaldocumentpage42</column></row><table>將表5中的每部分分成10個相等的子部分。將1564.5kgmol/hr的蒸汽預熱至875。C，與部分1的第一個子部分混合，將混合物引入第一級的反應側。其它99個子部分(除了部分1的第一個子部分之外的所有子部分)作為反應級間進料氣流，每部分都分別與級間反應氣流混合，并分別通入99個級中的每級入口。于855。C向每級的氧化側提供空氣，而從每級的氧化側提取貧氧空氣。在本實施例中，向所有膜模塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在;f莫塊中發(fā)生，并在100級反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。于900。C,以9702.2kgmol/hr從級100提取最終的合成氣產(chǎn)物，其組成為40.3%氫氣、3.0%曱烷、9.8%二氧化碳、19.7%—氧化碳、26.7%水和0.6%氮氣(組成以摩爾百分比計)。表6給出了對模擬結果的總結，結果顯示了來自第一反應器級和后面每10級為一組的每組的反應氣體溫度和組成。圖8顯示了每級入口和出口的反應氣體溫度與從反應進料入口(O)至產(chǎn)物出口(100)的100個反應器中級組百分比的關系曲線。可以看出，對反應器系統(tǒng)的分級操作將反應氣體的溫度控制在850至900℃這一優(yōu)選的膜溫度范圍內。反應氣體的溫度在最后10級由870升至900。C。通過向100級的每兩級間的級間反應氣體引入冷卻的混合反應進料氣體(即，預重組進料氣體加上循環(huán)氣體)，產(chǎn)生鋸齒狀的溫度變化，從而有利于級間反應氣體的冷淬。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage44</column></row><table>實施例4考慮ITM氧化反應器系統(tǒng)，其中膜的組成表現(xiàn)出圖5所表征的Pco2*行為。氧化系統(tǒng)與Fischer-Tropsch(F-T)過程整合，其中F-T排放氣體循環(huán)至ITM反應器系統(tǒng)，將合成氣產(chǎn)物的H2/C0摩爾比調整至約2:1。在這個實施例中，在30bara和800。C操作單級反應器系統(tǒng)。在這個實施例中，向所有膜模塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在模塊中發(fā)生，并在反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。F-T排放氣體與天然氣進料混合，在進入預重組器進行部分重組之前，混合進料與蒸汽混合。預重組的氣體向單級ITM反應器系統(tǒng)提供反應進料氣體。反應器入口氣體組成為5.5%氬氣、0.4Q/。CO、16.3%二氧化碳、46.6°/。水、30%甲烷和1.3%氮氣(組成以摩爾百分比計)。在這樣的進料條件下，平衡的氧分壓是2.5xl0"bara,而Pco2承是1.7bara(根據(jù)圖5)。然而，Pco2的實際平衡值是3.2bam,高于Pc02氣說明反應器膜發(fā)生了分解。實施例5用兩級401和403操作圖4的ITM氧化反應器系統(tǒng)，不使用級405-407和歧管439。在本實施例中，向所有膜才莫塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在模塊中發(fā)生，并在反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。管線427中的預重組天然氣通過管線429與蒸汽混合，混合物通過管線430流入第一反應器級401。反應氣流在401級中部分轉化，在401級的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。通過管線431的F-T排放氣體在熱交換器435中預熱，并在預重組器437中重組，以轉化F-T排放氣體中較重的烴。通過管線433加入蒸汽。預重組的氣體于560°C，通過管線441和453流動(未使用加熱器477)，在管線401e中與級間反應氣體混合。混合氣體通過管線402流入第二反應器級403。表7中給出了選擇的操作條件和氣體組成。實施例5的搡作條件<table>tableseeoriginaldocumentpage46</column></row><table>在這種條件下，管線430中氧的平衡分壓是1.5xl(T19bara,pC02*是1.65bara(根據(jù)圖5),而pC02的實際平衡值是1.61bara。因此，在進入401級的入口處，膜基本處于分解穩(wěn)定性的極限處，所述分解穩(wěn)定性指由于發(fā)生C02反應而發(fā)生分解的穩(wěn)定性。在管線402中至第二級403的入口處，氧的平衡分壓是1.9xl(T19bara，而pco^是1.5bara(根據(jù)圖5)。而pco2的實際平衡值是3.9bara,表明在級403中將發(fā)生膜的分解。實施例6用級401、403和405操作圖4的ITM氧化反應器系統(tǒng)。沒有使用級407。在本實施例中，向所有膜模塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在^t塊中發(fā)生，并在反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。管線427中的預重組天然氣通過管線429與蒸汽混合，混合物通過管線430流入第一反應器級401。反應氣流在401級中部分轉化，在401級的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。通過管線431的F-T排放氣體在熱交換器435中預熱，并在預重組器437中重組，以轉化F-T排放氣體中較重的烴。通過管線433加入蒸汽。一半的預重組排放氣體于560°C,通過管線441和453流動(未使用加熱器447),在管線401e中與級間反應氣體混合。混合氣體通過管線402流入第二反應器級403。反應氣流在這里發(fā)生部分轉化，而氣流在403級的出口，于卯0。C的操作溫度上限達到平衡。另一半預重組排放氣體于560°C,通過管線443和455流動(未使用加熱器449),在管線403e中與級間反應氣體混合?；旌系募夐g氣體通過管線404流入第三反應器級405。表8中給出了選擇的操作條件和氣體組成。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage47</column></row><table>笫一級401入口處的條件與實施例5中相似(見上文)。通入403級入口處的管線402中氧的平衡分壓是1.2xl(T18bara，而pco^是2.9bara(根據(jù)圖5)。然而，因為pC02的實際平衡值是3.0bara，所以403級中的膜會發(fā)生分解。實施例7用四級401、403、405和407操作圖4的ITM氧化反應器系統(tǒng)。在本實施例中，向所有膜模塊的反應側提供了充足的催化劑，使蒸汽重組、二氧化碳重組和水煤氣變換反應能夠在^t塊中發(fā)生，并在反應器系統(tǒng)中基本維持化學平衡條件。管線427中的預重組天然氣通過管線429與蒸汽混合，混合物通過管線430流入第一反應器級401。在401級中部分轉化反應氣流，在401級的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。通過管線431的F-T排放氣體在熱交換器435中預熱，并在預重組器437中重組，轉化F-T排放氣體中較重的烴。通過管線433加入蒸汽。三分之一的預重組排放氣體于560°C,通過管線441和453流動(未使用加熱器447),在管線401e中與級間反應氣體混合?；旌蠚怏w通過管線402流入第二反應器級403，反應氣流在這里發(fā)生部分轉化，而氣流在403級的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。另外三分之一的預重組排放氣體于560°C，通過管線443和455流動(未使用加熱器449),在管線403e中與級間反應氣體混合?；旌系募夐g氣體通過管線404流入第三反應器級405,反應氣流在這里發(fā)生部分轉化，而氣流在級405的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。其余三分之一的預重組排放氣體于560。C,通過管線445和457流動(未使用加熱器451)，在管線405e中與級間反應氣體混合?；旌系募夐g氣體通過管線406流入第四反應器級407,反應氣流在這里發(fā)生部分轉化，而氣流在407級的出口，于900。C的操作溫度上限達到平衡。表9中給出了選擇的操作條件和氣體組成。表9實施例7的搡作條件<table>tableseeoriginaldocumentpage48</column></row><table>第一級401入口處的條件與實施例5中的條件相似(見上文)。管線402中的級間反應氣體，氧的平衡分壓是2.7xl(T18bam，pcc^是3.7bara，而pco2的實際平衡值只有2.6bara。在管線404中的級間反應氣體，氧的平衡分壓是4.3xl0"8bara,pco^是4.3bara,而pco2的實際平衡值只有3.0bam。最后，在管線406中的級間反應氣體，氧的平衡分壓是7.9xl(T18bara,pco^是5.2bara,而pC02的實際平衡值只有3.4bara。從這些結果可以看出，在反應器系統(tǒng)的所有位置，pco2都保持小于PC02*。因此，多級，在這個實施例中是四級，有三個級間注入點，能夠注入這種特殊的含C02的預重組F-T排放氣體，同時在ITM反應器系統(tǒng)中始終維持Pco2〈PC02。實施例8對于組成中pco^的穩(wěn)健性(robust)小于圖5所示行為的膜，可以將預重組的F-T排放氣流分成幾部分，在較多的級間注入點注入，在每個注入點減少溫度的下降和相應的pco^的降^氐。或者，注入之前可以加熱預重組的F-T排放氣流，例如通過圖4的加熱器447、449和451,或者在預重組器437下游的普通加熱器(未顯示)中加熱。對于具體的進料氣體組成和產(chǎn)物合成氣的H2/CO比例要求，可以選擇級數(shù)和對中間預重組的F-T排放氣流加熱，來優(yōu)化膜反應器操作和設備成本。作為實例，如果實施例6中圖4的管線441中的F-T排放氣體循環(huán)氣流在加熱器447中/人560。C加熱至650。C,管線402中的混合氣流將達到847°C。在這一溫度，氧的平衡分壓是2.6xlO"8bam,pco^是3.7bara，而卩002的實際平;^值只有2.9bara。如果實施例6的管線443中的F-T排放氣體循環(huán)氣流在加熱器449中從560。C加熱至650。C,管線404中的混合氣流將達到857°C。在這一溫度，氧的平衡分壓是5.0xl(T18bara，Pcc^是4.5bara,而pC02的實際平衡值只有3.3bara。因此使用兩個中間注入點和三反應器級系統(tǒng)可以在ITM反應器系統(tǒng)中始終維持pC02<PC02*。選擇再加熱還是額外的反應器級將依賴于對用于預熱的高溫熱交換器管件的成本以及為注入和混合點提供級所需成本的綜合考慮。權利要求1.離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中，級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能夠從第一級流至第二級；和(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通。2.權利要求1的系統(tǒng)，其包含置于任何反應域內和/或任何對膜氧化級之間的級間反應氣體流道中的一種或多種催化劑。3.權利要求2的系統(tǒng)，其中一種或多種催化劑選自氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑和水煤氣變換催化劑。4.權利要求l的系統(tǒng)，包含2至100級，包括端值。5.權利要求l的系統(tǒng)，包含多于100級。6.權利要求l的系統(tǒng)，包含壓力容器，其中置有兩個或更多個膜氧化級。7.權利要求6的系統(tǒng)，其中兩個或更多個膜氧化級包含第一級和最后一級，其中所述壓力容器具有與第一級的反應氣體入口區(qū)流動連通的反應進料入口、與最后一級的反應氣體出口區(qū)流動連通的產(chǎn)物氣體出口、與兩個或更多個膜氧化級的氧化氣體入口區(qū)流動連通的氧化氣體入口、與兩個或更多個膜氧化級的氧化氣體出口區(qū)流動連通的氧化氣體出口，和與置于任何兩個鄰近的膜氧化級之間的級間反應氣體流道流動連通的級間反應氣體入口。8.產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連接，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；和(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(b)向兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應氣體入口區(qū)引入一種或多種反應進料氣體；(c)向兩個或更多個膜氧化級中任何氧化氣體入口區(qū)引入氧化氣體。(d)向置于鄰近的膜氧化級之間的級間反應氣體流道中，或向接受級間反應氣體的任何級的任何反應域中，引入反應級間進料氣體；和(e)從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。9.權利要求8的方法，其中第一反應進料氣體包含甲烷，笫二反應進料氣體包含蒸汽。10.權利要求9的方法，其中反應級間進料氣體和第一反應進料氣體提供作為同樣的反應氣流的一部分。11.權利要求9的方法，其中反應級間進料氣體和第一反應進料氣體由不同的來源獲得。12.權利要求ll的方法，其中反應級間進料氣體包含二氧化碳。13.離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能夠從第一級流至第二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與所述兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應氣體供應歧管，其與通入笫一級的反應氣體進料管線之一流動連通，并與任何反應級間進津+氣體管線流動連通；和(f)產(chǎn)物提取管線，被配置為從所述兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。14.權利要求13的系統(tǒng)，其包括布置在任何反應域中和/或任何對膜氧化級之間的級間反應氣體流道中的一種或多種催化劑。15.權利要求14的系統(tǒng)，其中一種或多種催化劑選自氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑，和水煤氣變換催化劑。16.產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中所述級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(4)一個或多個反應氣體進料管線，其與所述兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(5)反應氣體供應歧管，其與通入第一級的反應氣體進料管線之一流動連通，并與任何反應級間進料氣體管線流動連通；和(6)產(chǎn)物提取管線，其被配置為從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物；(b)通過反應氣體供應歧管提供反應氣體，將反應進料氣體從該歧管引入第一級的反應域，并將反應氣體從歧管作為反應級間進料氣體引入一個或多個反應級間進料氣體管線中的任何管線中；(C)將氧化氣體引入兩個或更多膜氧化級中的任何氧化氣體入口區(qū)；和(d)從兩個或更多膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。17.權利要求16的方法，其中通過反應氣體供應歧管提供的反應氣體是預重組的天然氣，氧化氣體產(chǎn)物是包含氫氣和一氧化碳的合成氣。18.權利要求17的方法，其包含將蒸汽引入反應氣體進料管線之一，所述進料管線與所述兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通。19.權利要求16的方法，其中通過反應氣體供應歧管提供的反應氣體包含預重組的天然氣和包含二氧化碳的反應氣體。20.權利要求16的方法，其中通過反應氣體供應歧管提供的反應氣體包括天然氣與包含甲烷和二氧化碳中至少一種的反應氣體的預重組混合物。21.離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，其包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與所述兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應級間進料氣體供應歧管，其與任何的反應級間進料氣體管線流動連通；和(f)產(chǎn)物提取管線，其被配置為從所述兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。22.權利要求21的系統(tǒng)，其包含置于任何反應域內和/或任何對膜氧化級之間的級間反應氣體流道中的一種或多種催化劑。23.權利要求22的系統(tǒng)，其中一種或多種催化劑選自氧化催化劑、蒸汽重組催化劑、二氧化碳重組催化劑，和水氣體轉換催化劑。24.離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，其包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(d)—個或多個反應氣體進料管線，其與所述兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(e)反應級間進料氣體供應歧管，其與任何反應級間進料氣體管線流動連通；(f)反應氣體供應歧管，其與下述(1)和(2)中任何一種管線流動連通(1)任何反應級間進料氣體管線和(2)—個或多個反應氣體進料管線中的任何管線；和(g)產(chǎn)物提取管線，其被配置為從所迷兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。25.產(chǎn)生氧化產(chǎn)物氣體的方法，所述方法包含(a)提供離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含(1)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(2)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其中級間反應氣體流道被配置為將每對膜氧化級中第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通，使級間反應氣體能從第一級流至第二級；(3)—個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線都與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通；(4)一個或多個反應氣體進料管線，其與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通；(5)反應級間氣體供應歧管，其與任何反應級間進料氣體管線流動連通；和(6)產(chǎn)物提取管線，其被配置為從兩個或更多個膜氧化級中最后一級的反應域提取氧化產(chǎn)物。(b)將反應進料氣體引入兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域；(c)通過反應級間進料氣體供應歧管，將反應級間進料氣體通入一個或多個級間進料氣體管線中的任何管線；(d)將氧化氣體引入所述兩個或更多個膜氧化級的任何氧化氣體入口區(qū)；和(e)從所述兩個或更多膜氧化級中最后一級的反應氣體出口區(qū)提取氧化氣體產(chǎn)物。26.權利要求25的方法，其中反應進料氣體和反應級間進料氣體包含預重組的天然氣，且氧化氣體產(chǎn)物是包含氫氣和一氧化碳的合成氣。27.權利要求26的方法，其包含將蒸汽引入反應氣體進料管線之一，所述進料管線與兩個或更多個膜氧化級中第一級的反應域流動連通。28.權利要求25的方法，其中反應級間進料氣體包含曱烷和/或二氧化碳。29.權利要求28的方法，其包含維持流入任何膜氧化級的級間反應氣體中的二氧化碳分壓小于二氧化碳分壓的臨界閾值pco^，其中Pc02*定義為當二氧化碳分壓高于該值時，離子傳輸膜中的材料會與二氧化碳反應并分解。30.權利要求28的方法，其中氧化氣體產(chǎn)物是包含氫氣和一氧化碳的合成氣。31.權利要求30的方法，其中反應級間進料氣體通過將反應氣體預重組而提供，所述反應氣體包含二氧化碳、甲烷和一種或多種比甲烷重的烴。32.權利要求30的方法，其中包含氫氣和一氧化碳的合成氣用作烴合成過程或氧化烴合成過程的進料氣體，所述過程產(chǎn)生的過程排放氣體包含二氧化碳，其中一些或全部的過程排放氣體提供了至少部分的反應級間進料氣體。33.權利要求31的方法，其中包含氫氣和一氧化碳的合成氣用作烴合成過程或氧化烴合成過程的進料氣體，所述過程產(chǎn)生的過程排放氣體包含二氧化碳，其中一些或全部的過程排放氣體提供了至少部分的反應氣體，所述反應氣體經(jīng)過預重組以提供反應級間進料氣體。34.操作離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的方法，其包含(a)將一種或多種反應氣體引入離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的反應域，其中一種或多種反應氣體至少包含甲烷和二氧化碳；(b)將含氧氣體引入離子傳輸膜氧化系統(tǒng)的氧化域；(c)通過離子傳輸膜，使氧從氧化域滲透入反應域，并在所述反應域中使氧與反應氣體中一種或多種組分反應；和(d)維持流入反應域的反應氣體中的二氧化碳分壓小于二氧化碳分壓的臨界閾值pco^，其中pco^定義為當二氧化碳分壓高于該值時，離子傳輸膜中的材料會與二氧化碳反應并分解。全文摘要分級膜氧化反應器系統(tǒng)，特別地，離子傳輸膜氧化系統(tǒng)，包含(a)兩個或更多個膜氧化級，每級包含反應域、氧化域、將反應域和氧化域分隔開的一個或多個離子傳輸膜、反應氣體入口區(qū)、反應氣體出口區(qū)、氧化氣體入口區(qū)和氧化氣體出口區(qū)；(b)置于每對膜氧化級之間的級間反應氣體流道，其被配置為將每對膜氧化級中的第一級的反應氣體出口區(qū)與該對膜氧化級中第二級的反應氣體入口區(qū)流動連通；和(c)一個或多個反應級間進料氣體管線，每一管線與任何級間反應氣體流道流動連通，或與接受級間反應氣體的任何膜氧化級的反應域流動連通。文檔編號B01J8/00GK101318117SQ20081012540公開日2008年12月10日申請日期2008年6月5日優(yōu)先權日2007年6月5日發(fā)明者C·M·-P·陳,J·M·雷帕斯基,M·F·卡羅蘭,V·E·斯坦申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司