Способ удаления кислорода из потока газового сырья (варианты)

Способ удаления кислорода из потока газового сырья (варианты)

Реферат

 

Способ удаления кислорода из потока исходного газового сырья для получения потока обедненного кислородом удерживаемого газа путем подачи потока исходного газового сырья в систему некриогенного объемного разделения кислорода для удаления кислорода и получения потока обедненного кислородом сырого газа-продукта и первого истекающего пермеатного потока, подачи потока обедненного кислородом сырого газа-продукта в сепаратор, содержащий основную твердоэлектролитную ионопроницаемую мембрану, для получения второго истекающего пермеатного потока и потока обедненного кислородом удерживаемого газа. Реактивный очищающий газ добавляют для взаимодействия с частью кислорода, проникшего через основную твердоэлектролитную ионопроницаемую мембрану, и очистки проницаемой стороны основной ионопроницаемой мембраны и/или газовый поток рецикла, содержащий по меньшей мере часть одного газового потока, полученного в течение процесса, добавляют по меньшей мере к одному другому газовому потоку. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса выделения кислорода и азота из газовоздушной смеси. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к устройству и способу выделения кислорода из смешанного газового сырьевого потока и, в частности, к устройству и способу, использующим как систему объемного выделения кислорода, так и твердоэлектролитный сепаратор с ионной проводимостью для выделения кислорода из воздуха для получения азота высокой чистоты или другого инертного газа.

В течение многих лет для отделения выбранных газов из воздуха и других газовых смесей применялись некриогенные системы объемного выделения кислорода, например мембранные системы из органических полимеров. Смешанные полые волокна, используемые в этих полимерных мембранах, могут иметь показатели разделения порядка 10 и ниже, способствующие более высокой проницаемости кислорода в сравнении с азотом. Все эти годы разрабатывалось множество способов, применяющих такие полимерные мембраны для получения кислорода и особенно азота из окружающего воздуха, в которых использовали преимущество этого различия в проницаемости кислорода и азота. Системы, применяющие полимерные мембраны для разделения кислорода и азота, описаны, например, в патенте США N 5,378,263, Прасада (Prasad), озаглавленном "High Purity Membrane Nitrogen" ("Азот высокой чистоты, полученный мембранным методом разделения").

Другие некриогенные системы объемного выделения кислорода используют для разделения выбранных газов разницу давлений адсорбции (PSA). Полимерные мембранные сушилки, используемые в качестве очистителей при PSA получении азота, описаны, например, в патенте США N 5,004,482 Хааса и др. (Haas et al. ), озаглавленном "Production of Dry, High Purity Nitrogen" ("Получение сухого азота высокой чистоты").

Воздух является смесью газов, которая может содержать различные количества водяного пара и на уровне моря имеет следующий примерный состав по объему: кислород (20,9%), азот (78%), аргон (0,94%), остальное - следы других газов. Присутствие аргона в получаемом азоте не влияет на области применения этого газа, поскольку он часто не удаляется из азота.

Полимерные мембранные системы в течение долгого времени использовались для выделения азота из воздуха. Такие мембранные системы включают системы NitroGENT^TM, разработанные фирмой Praxair Inc. , которые используются для промышленного получения азота из воздуха. Чистота получаемого азота зависит от количества применяемых "стадий" проникновения. Для получения азота низкой чистоты достаточно одностадийного процесса. Азот более высокой чистоты может быть получен в двухстадийном процессе, в котором поток проникшего через мембрану газа из второй ступени (обогащенный азотом по сравнению с воздухом) рециркулируется в питающий компрессор. При добавлении третьей ступени с рециркулированием потоков проникшего через мембрану газа из второй и третьей ступеней в питающий газовый поток проникшего через мембрану газа можно достигнуть еще более высокой чистоты. Таким путем содержание кислорода в продуктовом азоте может быть понижено приблизительно до 0,5%, но при необходимости достижения более высокой чистоты становятся чрезмерными как необходимая площадь мембраны, так и энергопотребление системы.

Когда задается свободный от кислорода продукт, для обработки удерживаемого газа (продукта) из мембранного процесса обычно используют систему обескислороживания на основе водорода (далее упоминается как "обычная деоксо" система). К потоку удерживаемого газа добавляют некоторое количество чистого водорода, и затем этот поток пропускают через катализатор, который вынуждает водород реагировать с содержащимся кислородом с получением воды. Очевидно, что при этом требуется избыток водорода (H₂ > 2O₂). Этот избыток водорода остается в получаемом азоте.

Современное состояние уровня техники для получения азота высокой чистоты в малых и средних количествах характеризуется сочетанием полимерной мембранной системы с обычной деоксо системой очистки.

Однако из некоторых неорганических оксидов может быть изготовлен совершенно отличный тип мембраны. Такие твердоэлектролитные ионопроницаемые мембраны изготавливают из неорганических оксидов, типичными представителями которых являются оксиды кальция или иттрий-стабилизированного циркония и аналогичные оксиды, имеющие структуру флюорита и перовскита. При повышенных температурах эти материалы содержат подвижные вакансии иона кислорода. При наложении электрического поля на такую оксидную мембрану кислород будет проходить через мембрану в форме оксидных ионов. Поскольку эти материалы обеспечивают возможность проницания через них только кислорода, они действуют как мембраны с бесконечной избирательной проницаемостью по отношению к кислороду. Поэтому такие оксидные керамические мембраны чрезвычайно привлекательны для использования в новых процессах разделения воздуха.

Несмотря на то, что потенциал этих оксидных керамических материалов в качестве газоразделительных мембран чрезвычайно высок, при их использовании возникают определенные проблемы. Наиболее очевидным затруднением является то, что все известные оксидные керамические материалы проявляют заметную проводимость ионов кислорода только при повышенных температурах. Они обычно должны хорошо действовать при температурах выше 500^oC, обычно в диапазоне 500-1100^oC. Это ограничение остается в силе, несмотря на множество исследований по поиску материалов, которые должны хорошо работать при более низких температурах.

В настоящее время существует два используемых типа ионопроницаемых твердых электролитов мембранного типа: проводники с ионной проводимостью, которые проводят через мембрану только ионы кислорода, и проводники со смешанной проводимостью, которые проводят через мембрану и ионы, и электроны. Используемые в настоящем описании термины "твердоэлектролитный проводник с ионной проводимостью", "твердоэлектролитная ионопроницаемая мембрана", "ионопроницаемая мембрана" или просто "твердый электролит" используются для обозначения либо материала с ионной проводимостью, либо материала со смешанной проводимостью до тех пор, пока это специально не оговаривается. Технология использования твердоэлектролитного проводника с ионной проводимостью более подробно описана в патенте США N 5,547,494, Прасада и др. (Prasad et al. ), озаглавленном "Staged Electrolyte Membrane" ("Ступенчатая электролитная мембрана"), приведенном в настоящем описании в качестве ссылки, чтобы полнее описать состояние уровня техники.

Твердоэлектролитная ионопроницаемая мембрана, обладающая смешанной проводимостью, может переносить кислород под воздействием перепада парциального давления кислорода на мембране без необходимости наложения электрического поля или применения внешних электродов, что необходимо при использовании проводников с ионной проводимостью. В неорганическом оксиде с ионной или смешанной проводимостью перенос кислорода осуществляется благодаря присутствию кислородных вакансий в оксиде. Ионы кислорода аннигилируют вакансии иона кислорода, которые очень подвижны в оксиде. Для осуществления реакции должны поступать электроны (и удаляться на другой стороне мембраны). При применении материалов, проявляющих только ионную проводимость, к противоположным сторонам оксидной мембраны должны прикладываться электроды, и течение электронов осуществляется посредством внешней цепи.

В патенте США N 5,557,951 Прасада и др. (Prasad et al. ), озаглавленном Process and Apparatus for Recovery of Argon from a Cryogenic Air Separation Unit (Способ и устройство для извлечения аргона из криогенной установки для разделения воздуха), описано отведение обогащенной аргоном жидкости из аргоновой колонны с насадкой, выпаривание обогащенной аргоном жидкости с получением обогащенных аргоном паров и контактирование обогащенных аргоном паров с твердоэлектролитной мембраной с ионной или смешанной проводимостью. Извлекаемый продуктовый аргон имеет концентрацию кислорода ниже, чем около 10 ppm (частей на миллион (10 мг/л)).

Патент США N Re. 34,595 (переиздание патента США N 5,035,726) Чена и др. (Chen et al. ), озаглавленный Process for Removing Oxygen and Nitrogen from Crude Argon (Способ удаления кислорода и азота из сырого аргона) касается использования электрически возбуждаемых твердоэлектролитных мембран для удаления низких уровней кислорода из газовых потоков необработанного (сырого) аргона. Чен и др. (Chen et al. ) оценили расход электроэнергии, необходимой для различных примеров многостадийных процессов, и также отметили возможность применения мембран со смешанной проводимостью, действующих за счет поддержания давления кислорода на загрузочной стороне. Чен и др. также установили, что кислород, выходящий из проницаемой стороны электрически возбуждаемой ионной мембраны, может либо отводиться в виде потока чистого кислорода, либо смешиваться с подходящим "очищающим" газом, например азотом.

Патент США N 5,160,713 Мазанека и др. (Mazanec et al. ), озаглавленный Process for Separating Oxigen from an Oxigen-Containing Gas by Using a Bi-Containing Mixed Metal Oxide Membrane (Способ отделения кислорода от кислородсодержащего газа путем использования мембраны из Bi-содержащей смеси металлических оксидов), относится к процессу выделения кислорода, применяющему мембрану из висмутсодержащей смеси металлических оксидов, который, в основном, предусматривает то, что отделенный кислород может собираться для удаления или для реагирования с потребляющим кислород веществом. Обедненный кислородом удерживаемый газ, по-видимому, сбрасывается.

Патент США N 5,306,411 Мазанека и др. (Mazanec et al. ), озаглавленный Solid Mulli-Component Membranes, Electrochemical Reactor Components, Electrochemical Reactors and Use of Membranes, Reactor Components, and Reactor for Oxidation Reactions (Твердые многокомпонентные мембраны, элементы электрохимического реактора, электрохимические реакторы и применение мембран, элементов реактора и реактора для окислительных реакций) относится к множеству применений твердого электролита мембранного типа в электрохимическом реакторе. Отмечается, что окислы азота и окислы серы в дымовых или отходящих газах могут превращаться в газообразный азот и элементарную серу соответственно и что газообразный реагент, как, например, газообразный легкий углеводород, может смешиваться с инертным разбавляющим газом, не препятствующим требуемой реакции, хотя причины получения такой смеси не установлены. Однако ни в одном из цитируемых патентов Мазанека и др. не описан способ получения продукта высокой чистоты из кислородсодержащего потока.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка эффективного способа получения азота высокой чистоты или другого инертного газа, применяющего гибрид системы объемного выделения кислорода и ионопроницаемого модуля с очищающим газовым потоком для снижения энергопотребления.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является разработка эффективного способа получения азота высокой чистоты или другого инертного газа, применяющего гибрид некриогенной системы объемного выделения кислорода и ионопроницаемого модуля с рециркулированием очищающего отработанного потока из ионопроницаемого модуля для снижения энергопотребления.

Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности гибридного процесса путем очистки проницаемой стороны ионопроницаемой мембраны посредством очистки отработанным потоком, очистки продуктом и реактивной очистки.

Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности гибридного процесса путем использования многоступенчатой полимерной мембранной системы разделения в качестве некриогенной системы объемного выделения кислорода.

Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности гибридного процесса путем использования многоступенчатых ионопроницаемых систем в качестве сепараторов кислорода.

Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности гибридных процессов путем использования теплообменника для связывания области с температурой окружающей среды полимерной мембранной системы с высокотемпературной областью ионопроницаемой мембранной системы.

Изобретение включает способ удаления кислорода из питающего газового потока, содержащего элементарный кислород и по меньшей мере один другой газ, для получения газового потока обедненного кислородом удерживаемого газа. Способ включает подачу потока исходного газового сырья в систему выделения объема кислорода для удаления кислорода с получением потока обедненного кислородом сырого получаемого газа и первого истекающего потока кислородсодержащего проникшего через мембрану газа. Затем поток обедненного кислородом сырого получаемого газа подают в сепаратор, содержащий основной ионопроницаемый модуль, имеющий основную ионопроницаемую мембрану с удерживающей стороной и проницаемой стороной, для получения второго истекающего потока проникшего через мембрану газа и газового потока обедненного кислородом удерживаемого газа. Предпочтительнее, затем добавляют газ для реактивной очистки для реагирования по крайней мере с частью кислорода, проникшего через основную ионопроницаемую мембрану, и очистки проницаемой стороны основной ионопроницаемой мембраны, в результате чего повышается эффективность процесса.

Кроме того, в предпочтительном варианте настоящего изобретения сепаратор содержит начальную ионопроницаемую мембрану модуля, имеющую проницаемую сторону и удерживающую сторону, к которой подают поток обедненного кислородом сырого продуктового газа для получения исходного истекающего потока проникшего через мембрану газа, при этом начальная ионопроницаемая мембрана последовательно соединена с основной ионопроницаемой мембраной таким образом, чтобы исходный газовый поток обедненного кислородом удерживаемого газа подавался к удерживающей стороне основной ионопроницаемой мембраны. В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения по меньшей мере часть по меньшей мере одного первого истекающего потока кислородсодержащего проникшего через мембрану газа из системы объемного выделения кислорода и второй поток проникшего через мембрану газа из основной ионопроницаемой мембраны рециркулируют путем добавления к потоку исходного газового сырья. В еще одном предпочтительном варианте настоящего изобретения газ для реактивной очистки находится в стехиометрическом избытке по отношению к кислороду, проникающему через ионопроницаемую мембрану, и реагирует, по существу, со всем находящимся в ней кислородом с получением очищающего потока, содержащего продукты сгорания и часть непрореагировавшего реактивного очищающего газа, при этом очищающий отработанный поток используется для очистки проницаемой стороны основной ионопроницаемой мембраны. В еще одном предпочтительном варианте настоящего изобретения очищающий поток из основной ионопроницаемой мембраны используют для очистки проницаемой стороны начальной ионопроницаемой мембраны.

Изобретение также включает способ удаления кислорода из потока исходного газового сырья, в котором используют газовый поток рецикла, содержащий по меньшей мере часть по меньшей мере одного газового потока, полученного во время процесса, который рециркулируют путем добавления газового потока рецикла (петлевого потока) по меньшей мере к одному газовому потоку процесса.

По меньшей мере часть истекающего очищающего потока проникшего газа и кислородсодержащий газовый поток вводят в камеру сгорания и сжигают в ней для генерирования тепловой энергии.

Кроме того, изобретение включает способ удаления кислорода из потока исходного газового сырья, содержащего элементарный кислород и по меньшей мере один другой газ, для получения газового потока обедненного кислородом удерживаемого газа. Способ включает подачу потока исходного газового сырья на первую полимерную мембранную ступень, полимерная мембрана которой имеет удерживающую сторону и проницаемую сторону, для удаления кислорода и получения первого потока обедненного кислородом сырого продуктового газа и первого истекающего потока кислородсодержащего проникшего через мембрану газа; подачу потока обедненного кислородом сырого газа-продукта в сепаратор, содержащий основной ионопроницаемый модуль, имеющий основную ионопроницаемую мембрану с удерживающей стороной и проницаемой стороной, для получения второго истекающего потока проникшего газа и потока обедненного кислородом удерживаемого газа; и рециркулирование газового потока рецикла, содержащего по меньшей мере один газовый поток, полученный в течение процесса, путем добавления газового потока рецикла по меньшей мере к одному газовому потоку процесса.

Сепаратор дополнительно содержит начальную ионопроницаемую мембрану модуля, при этом начальная ионопроницаемая мембрана имеет проницаемую сторону и удерживающую сторону, к которой подается исходный поток обедненного кислородом сырого газа-продукта и исходный истекающий поток проникшего газа для получения исходного потока обедненного кислородом удерживаемого газа, причем начальная ионопроницаемая мембрана последовательно соединена с основной ионопроницаемой мембраной таким образом, чтобы исходный поток обедненного кислородом удерживаемого газа подавался к удерживающей стороне основной ионопроницаемой мембраны.

Основная ионопроницаемая мембрана является электрически возбуждаемой ионопроницаемой мембраной, и для очистки проницаемой стороны основной ионопроницаемой мембраны используют по меньшей мере часть первого истекающего потока кислородсодержащего проникшего газа из некриогенной системы объемного выделения кислорода.

Газовый поток рецикла содержит очищающий поток из основной ионопроницаемой мембраны и рециркулируется путем добавления к потоку исходного газового сырья.

Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения становятся очевидными для специалистов из последующего описания предпочтительных вариантов и приложенных чертежей, на которых: фиг. 1 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, в котором азотный промежуточный поток газа-продукта со степенью чистоты от низкой до высокой из системы объемного выделения кислорода обрабатывают в твердоэлектролитном ионопроницаемом модуле, в котором осуществляют реактивную очистку для получения свободного от кислорода продукта; фиг. 2 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, в котором в двухступенчатой полимерной мембранной системе получают азотный промежуточный продукт со степенью чистоты от средней до высокой, который затем обрабатывают в электрически возбуждаемом ионопроницаемом мембранном модуле для получения свободного от кислорода продукта; фиг. 3 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, подобного варианту фиг. 2, использующего приводимый в действие посредством давления ионопроницаемый модуль, в котором часть продукта высокой чистоты используют в качестве очищающего потока для ионопроницаемой мембраны; фиг. 4 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, имеющего двухступенчатую полимерную мембранную систему и двухступенчатую твердоэлектролитную ионопроницаемую модульную систему, в котором конечную ступень твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля очищают продуктом и газовый поток проникшего через мембрану газа из второй полимерной мембранной ступени используют для очистки первой ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля; фиг. 5 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, подобного варианту фиг. 4, в котором осуществляют реактивную очистку последней ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля и для очистки первой ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля используют отходящие газы; фиг. 6 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, подобного варианту фиг. 5, в котором поток для реактивной очистки содержит избыток топлива с тем, чтобы истекающий очищающий поток содержал немного кислорода, но содержал некоторое количество топлива и продуктов сгорания, которые затем должны реагировать с кислородсодержащим газом в камере сгорания; фиг. 7 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, подобного варианту фиг. 3, в которой, однако, показано, каким образом зона температуры окружающей среды полимерной мембранной разделительной системы может быть соединена посредством теплообменника с высокотемпературной зоной твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля; фиг. 8 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, подобного варианту фиг. 4, в которой, однако, показано, каким образом зона температуры окружающей среды полимерной мембранной разделительной системы может быть соединена посредством теплообменника с высокотемпературной зоной твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля; Фиг. 9 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, изображающей элементы теплообменника и двухступенчатую твердоэлектролитную ионопроницаемую модульную систему, в которой газовый поток из системы объемного выделения кислорода сначала пропускают через внутренний теплообменник во втором твердоэлектролитном ионопроницаемом модуле перед его очисткой в первой ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля и во второй ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля; фиг. 10 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, изображающей элементы теплообменника и двухступенчатую твердоэлектролитную ионопроницаемую модульную систему, в которой газовый поток из системы объемного выделения кислорода сначала очищают в первой ступени твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля и затем вводят во вторую ступень твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля посредством реакторного элемента новой конструкции для дополнительной очистки; фиг. 11 является схематической диаграммой варианта настоящего изобретения, изображающей элементы теплообменника и двухступенчатую ионопроницаемую модульную систему, в которой газовый поток из системы выделения кислорода сначала вводят в первую ступень твердоэлектролитного ионопроницаемого модуля посредством реакторного элемента новой конструкции и дополнительно очищают во второй ступени ионопроницаемого модуля.

Изобретение может быть осуществлено путем использования твердоэлектролитной ионопроницаемой мембранной системы, возбуждаемой либо электрически, либо посредством давления, в качестве сепаратора для удаления остаточного кислорода из потока обедненного кислородом сырого газа-продукта, полученного из системы выделения кислорода после обработки потока исходного газового сырья. Поскольку работа двух типов твердоэлектролитных ионопроницаемых систем несколько отличается, ниже приведено отдельное описание системы выделения кислорода/ твердоэлектролитных ионопроницаемых гибридных систем. Предпочтительнее посредством системы объемного выделения кислорода из потока исходного газового сырья удаляется по меньшей мере 50% элементарного кислорода. Газовый поток, подаваемый в твердоэлектролитную ионопроницаемую часть системы, должен содержать, предпочтительнее, азот в диапазоне 88-98% (корректнее, свободный от кислорода газ), т. е. 1-12% элементарного кислорода; более предпочтительный состав включает 93-98% азота, аргона или других инертных газов (свободный от кислорода газ), т. е. 2-7% элементарного кислорода. Твердоэлектролитное ионопроницаемое устройство обычно работает при температуре выше 400^oC, предпочтительнее при 400^oC-1200^oC, более предпочтительно при 600^oC-1000^oC. Вследствие необходимости поддержания таких высоких температур газовый поток, подаваемый в твердоэлектролитное ионопроницаемое устройство, обычно должен быть нагрет. В настоящем изобретении известные обычная деоксо система и связанные с ней сушилка и система подачи водорода исключены.

За счет объединения системы объемного выделения кислорода, как, например, полимерной мембранной системы, с твердоэлектролитной ионопроницаемой мембранной системой можно эффективно и экономично получать азот высокой чистоты. Полимерная мембранная система удаляет кислород и также удаляет почти весь водяной пар и двуокись углерода из сырьевого газового потока, тогда как твердоэлектролитная ионопроницаемая мембранная система удаляет остаточный кислород с получением, по существу, свободного от кислорода продукта, упоминаемого далее как продукт высокой чистоты. Из большинства сырьевых газов, обрабатываемых в системе объемного выделения кислорода, большая часть примесей в них, как, например, водяной пар и двуокись углерода, удаляются на этапе предварительной очистки. Необходимо, однако, отметить, что для удаления любой воды, образующейся при прохождении протона от анода к катоду и его реагирования с кислородом, что возможно в некоторых электролитах и приводит к некоторому загрязнению продукта, можно использовать дополнительное последующее очистительное устройство. Таким дополнительным очистительным устройством может быть полимерная мембранная система, но предпочтительнее - это термическая колебательная адсорбционная система, которая может способствовать термической интеграции с высокотемпературным процессом переноса ионов в твердом электролите.

В настоящем изобретении остаточный кислород в удерживаемом газе из полимерного мембранного процесса удаляется посредством дополнительной "мембраны", изготовленной из материала ионопроницаемого твердого электролита. Таким образом, твердоэлектролитные ионопроницаемые материалы могут переносить кислород, и только кислород, посредством механизма вакансий иона кислорода. Поэтому коэффициент разделения для O₂/N₂ является бесконечным. Остаточный кислород удаляется без введения любых других примесей в получаемый поток. Поэтому нет необходимости в водороде, требующемся в обычном процессе деоксо, и, следовательно, нет необходимости в сушилке для удаления воды, образующейся при сжигании водорода.

Множество твердых оксидов, которые могут служить в качестве твердоэлектролитных ионопроницаемых мембран, проводят только вакансии иона кислорода. При использовании этих материалов к поверхностям оксида должны быть приложены электроды, к которым подается электрическое напряжение и ток для переноса кислорода через мембрану. Можно синтезировать другие оксиды, которые проводят и вакансии иона кислорода, и электроны. При использовании этих материалов кислород может переноситься через мембрану за счет наложения разницы отношения в парциальных давлениях кислорода на мембрану без необходимости в электродах или электрической энергии. Согласно настоящему изобретению для удаления остаточного кислорода из удерживаемого полимерной мембранной системой газа может использоваться каждый из этих твердоэлектролитных ионопроницаемых материалов.

Как уже отмечалось выше, термины "твердоэлектролитный проводник с ионной проводимостью", "твердоэлектролитная ионопроницаемая мембрана", "ионопроницаемая мембрана" или "твердый электролит" используются для обозначения материала ионного типа и материала со смешанной проводимостью, если это не оговорено иначе.

Термин "азот", используемый в настоящем описании, обычно означает обедненный кислородом газ, т. е. обедненный кислородом относительно исходного газового сырья. Как уже обсуждалось выше, ионопроницаемая мембрана пропускает только кислород. Следовательно, состав удерживаемого газа будет зависеть от состава исходного газового сырья. Исходное газовое сырье будет обедняться кислородом, но будет удерживать азот и любые другие газы (например, аргон), присутствующие в исходном газовом сырье. Смысл термина будет ясен специалистам в контексте использования термина в свете настоящего изобретения, обсуждаемого в настоящем описании.

Используемый в настоящем описании термин "элементарный кислород" означает любой кислород, не соединенный с любым другим элементом Периодической Таблицы. Несмотря на то, что обычно элементарный кислород имеет двухатомную форму, он включает отдельные атомы кислорода, трехатомный озон и другие формы, не соединенные с другими элементами.

Термин "высокой чистоты" относится к получаемому потоку, содержащему менее 2 процентов по объему нежелательных газов. Предпочтительнее продукт имеет степень чистоты, составляющую по меньшей мере 99,0%, более предпочтительно 99,9%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 99,99%, где "чистота" указывает на отсутствие нежелательных газов.

Термин "некриогенная система объемного разделения" относится к любой газоразделительной системе, в которой для выделения кислорода из одного или более газов не применяют фазовое превращение жидкость-газ, т. е. не применяют дистилляцию, и которая включает известные полимерные мембранные и адсорбционные системы.

Термины "адсорбционные с двумя давлениями " (раскачиваемые давлением адсорбционные) или "PSA" системы относится к системам, использующим адсорбционные материалы, селективно отделяющие газ, обычно азот или кислород, от других газов. Такие материалы включают селективные к скорости с избирательной проницаемостью по отношению к кислороду PSA материалы, обычно углеродсодержащие, которые предусматривают высокое давление азота и низкое давление кислорода, и равновесно-селективные с избирательной проницаемостью по отношению к азоту PSA материалы, обычно являющиеся цеолитовыми молекулярными ситами, которые предусматривают низкое давление азота и высокое давление кислорода. Если PSA системы являются частью системы объемного разделения, то для ионопроницаемой системы, приводимой в действие посредством давления, подходят селективные к скорости PSA системы, поскольку эти системы предусматривают высокое давление азота и низкое давление кислорода, что является значительным преимуществом, поскольку главной движущей силой для ионопроницаемой мембраны является давление исходного газового сырья. В отличие от приводимой в действие ионопроницаемой системы в электрически возбуждаемой ионопроницаемой системе или в любой ионопроницаемой системе с реактивной очисткой одинаково хорошо работают и селективные к скорости PSA системы, и равновесно-селективные PSA системы, поскольку в таких ионопроницаемых системах давление исходного газового сырья не является основной движущей силой.

Используемый в настоящем описании термин "отработанный поток" означает газовый поток, который обычно выпускается, но может использоваться в качестве "очищающего потока " для очистки мембран и для выполнения других функций. Термин "кислородсодержащий отработанный поток", используемый в настоящем описании в отношении ионопроницаемого сепаратора, относится к потоку проникшего через мембрану газа с поглощенным в нем некоторым количеством кислорода или всем кислородом, выходящим из ионопроницаемой мембраны. Например, при использовании для очистки проницаемой стороны (анодной стороны) ионопроницаемой мембраны потока реактивно очищающего газа реактивный газ реагирует с кислородом, проходящим через ионопроницаемую мембрану, на поверхности последней. Следовательно, при использовании такого реактивного очищающего потока в ионопроницаемом модуле не образуется объемный кислородный газовый поток, а поток кислорода не выходит из ионопроницаемого модуля. Если используют инертный очищающий поток, поток проникшего через мембрану газа, выходящий из ионопроницаемого модуля, будет разбавляться инертным очищающим потоком. В отсутствие очищающего потока поток проникшего через мембрану газа, выносящий кислород из ионопроницаемой мембраны, обогащен кислородом, и для создания движущей силы для переноса кислорода и исходный, и удерживаемый потоки должны иметь высокое давление (или поток проникшего через мембрану газа должен иметь очень низкое давление). Хотя такая неочищенная мембрана очень привлекательна для удаления большего количества кислорода из потоков инертного газа, извлечение кислорода ограничивается давлениями, которые можно приложить. Даже в этом случае возможная степень очистки является ограниченной.

Термин "истекающий поток проникшего через мембрану газа" включает отработанные потоки, кислородсодержащие отработанные потоки и другие истечения из зоны проницания, которые в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться в качестве очищающих потоков.

Необходимо отметить, что газовые потоки, описываемые как обогащенные кислородом потоки, содержат больший процент кислорода, чем исходный газовый поток, и потоки, описываемые как обедненные кислородом потоки, содержат меньший процент кислорода, чем исходный газовый поток. Так, если исходным газовым потоком является воздух (содержащий 21% кислорода), обогащенный кислородом газовый поток должен содержать более 21% кислорода. Следовательно, термин "обогащенный азотом" является синонимом термина "обедненный кислородом", и термин "обедненный азотом" является синонимом термина "обогащенный кислородом".

Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, в которых для обозначения сходных элементов используются сходные номера позиций.

Вариант настоящего изобретения иллюстрируется схематической технологической картой процесса, изображенной на фиг. 1. В этом варианте в системе объемного выделения кислорода 11 из потока исходного газового сырья 12 образуется поток азотного полупродукта или поток обедненного кислородом сырого продуктового газа 10. Поток промежуточного газа 14 обрабатывается в ионопроницаемом модуле 16, в котором для получения газового потока удерживаемого газа высокой чистоты 18 может быть осуществлена реактивная очистка. Для очистки проницаемой стороны твердоэлектролитной ионопроницаемой мембраны во многих вариантах настоящего изобретения используют реактивный очищающий газ, в некоторых случаях очищающий газ может рециркулироваться, или для удаления непрореагировавшего газообразного топлива и моноокиси углерода перед их выпуском в камеру сгорания могут вводиться и сжигаться в ней непрореагировавший реактивный очищающий газ, если он используется в избытке, и кислородсодержащий газ.

В процессе работы поток исходного газового сырья 12 сжимается в компрессоре 20, охлаждается в холодильнике 22 и частично разделяется в системе выделения объема кислорода 11, в которой образуются газовый поток 14 и выпускаемый отработанный поток 24. Для регулирования температуры питающего газового потока 26 газовый поток 14 разделяется на два потока в требуемой пропорции, так чтобы ионопроницаемый модуль 16 поддерживался в необходимом диапазоне температур за счет передачи посредством потока реактивного газа 30 тепла, генерируемого за счет реакции кислорода, в зону проницания 29. Например, если газовый поток 14 содержит 5% кислорода по объему, то для поддержания температуры ионопроницаемого модуля 31 в необходимом диапазоне температур 800^oC-1050^oC объемная доля первого газового потока 10 м