Способ разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток и обедненный кислородом газовый поток (варианты)

Способ разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток и обедненный кислородом газовый поток (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к способу разделения газов в устройстве с ионным проводником из твердого электролита. Способ разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток и обедненный кислородом газовый поток посредством выделения кислорода из подаваемого газового потока в устройстве включает сжатие подаваемого газового потока, разделение сжатого потока на основную и вспомогательную части, нагрев основной части газового потока с введением в секцию разделения устройства, подачу вспомогательной части газового потока в секцию охлаждения устройства рядом с выходом для кислородного продукта, отвод кислорода из нагретой основной части через мембраны в секции разделения устройства, передачу тепла от обогащенного кислородом газового потока вспомогательной части газового потока. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу разделения газов в устройстве с ионным проводником из твердого электролита. В частности, изобретение относится к системе разделения с ионным проводником из твердого электролита, где функции разделения газов, возможно реакции и охлаждения, объединены в одном устройстве.

Изобретение выполнено при поддержке Правительства Соединенных Штатов Америки по совместному соглашению 70NANB5H1065, выданному Национальным институтом стандартов и технологии. Правительство Соединенных Штатов Америки имеет определенные права на изобретение.

Некриогенные системы выделения объемного кислорода, например мембранные системы из органического полимера, используются для выделения определенных газов из воздуха и других газовых смесей. Воздух представляет собой смесь газов, которая может содержать в переменных количествах водяной пар и над уровнем моря имеет следующий примерный состав по объему: кислород (20,9%), водород (78%), аргон (0,94%) с балансом, состоящим из других рассеянных газов. Однако можно изготавливать мембраны совершенно другого типа из некоторых неорганических оксидов. Эти мембраны из твердого электролита изготавливают из неорганических оксидов, типичными примерами которых могут быть стабилизированные кальцием или иттрием оксиды циркония или аналогичные оксиды, имеющие структуру флюрита или перовскита.

Хотя потенциал этих оксидных керамических материалов в качестве мембран для разделения газов является высоким, при их использовании возникают определенные проблемы. Наиболее очевидная трудность состоит в том, что все известные оксидные керамические материалы обладают заметной проводимостью ионов кислорода только при повышенных температурах. Они обычно должны хорошо работать при температурах выше 500^oС, как правило, в диапазоне температур 600-900^oС. Это ограничение остается, несмотря на серьезные исследования с целью подбора материалов, которые хорошо работают при более низких температурах. Техника ионных проводников из жесткого электролита более подробно описана в патенте США 5547494, под названием "Ступенчатая электролитная мембрана", который включен в настоящую заявку путем ссылки для более полного описания состояния техники.

Последние разработки привели к созданию твердых оксидов, которые имеют возможность проводить ионы кислорода при повышенных температурах, когда прикладывается химический или электрический раскачивающий потенциал. Эти приводимые в действие давлением мембраны в виде ионных проводников можно использовать в качестве мембран для отделения кислорода из кислородсодержащего газового потока, если для обеспечения химического раскачивающего потенциала прикладывается достаточное парциальное давление кислорода. Поскольку селективность этих материалов в отношении кислорода является неограниченной и можно получать величину потоков кислорода на несколько порядков выше, чем при применении полимерных мембран, для способов получения кислорода, а также для требующих кислород процессов окисления создаются благоприятные возможности их применения, в особенности при повышенных температурах. Бросающийся в глаза пример представляет собой циклы газовых турбин, которые обычно обрабатывают значительное количество избыточного воздуха для поддержания температуры на входе турбины в пределах возможностей, имеющихся материалов и, следовательно, обеспечивают наличие избыточного кислорода для восстановления в виде побочного продукта.

В технической литературе представлены успехи, достигнутые в технике разделения воздуха с использованием ионных проводников из твердого электролита. Например, патент США 5306411 под названием "Твердые многокомпонентные мембраны, электромеханические компоненты реактора, электромеханические реакторы и использование мембран, компонентов реакторов и реакторов для реакции окисления", касается электромеханических реакторов для реагирования кислородсодержащего газа с потребляющим кислород газом, в котором описывается корпусной и трубчатый реактор с кислородсодержащим газом, проходящим по одной стороне мембраны из твердого электролита и потребляющим кислород газом по другой стороне. Однако в этом источнике не рассматриваются вопросы, касающиеся управления теплом для поддержания поверхностей мембран при требующихся постоянных температурах, динамики потока для достижения эффективного переноса массы или необходимости балансирования динамики реакции проводимостью ионов кислорода с целью поддержания надлежащего парциального давления кислорода для обеспечения стойкости материалов.

Патент США 5565017 под названием "Высокотемпературное производство кислорода с вырабатыванием водяного пара и энергии", касается системы, объединяющей мембрану для переноса ионов с газовой турбиной для преобразователя энергии от остаточного газового потока после его нагрева и добавления водяного пара.

В патенте США 5516359 под названием "Объединенный высокотемпературный способ производства кислорода" раскрыто использование водяного пара и инертных газов в качестве газов очистки для мембранных разделителей. Ни в одном из этих патентов не раскрывается конструкция устройства, и они не предполагают использование реакторов переноса ионов, которые посредством исключения азота из газового потока продуктов реакции позволяют использовать их в качестве генераторов газового потока для продувки или очистки разделителей с переносом ионов.

В патенте США 5599383 описан трубчатый модуль с твердой мембраной, имеющий множество трубчатых мембранных блоков, каждый из которых имеет пористую основу без каналов и удерживаемый на ней плотный смешанный проводящий окисный слой. Пористая основа каждого блока находится в связи по потоку с одним или более коллекторами или трубопроводами для выпуска кислорода, который проникает через плотный слой и пористую основу.

В корпорации Вестингауз разработаны твердые окисные топливные элементы, имеющие трубчатую конструкцию, типа описанной в публикации, представленной на конференции "Пауэджен 1955 - Эмерикес" в Анахайме, штат Калифорния, 5-7 декабря 1995 г. Франком П. Бвеком и Уолтером Г. Паркером, под названием "Объединенные энергетические установки с твердыми окисными топливными элементами Сьюрсел (товарный знак) для применений распределенных энергий". Эта публикация касается трубчатых топливных систем из твердых оксидов с конфигурациями, которые имеют поверхностное сходство с некоторыми из конфигураций настоящего изобретения, однако конфигурация не касается функций, выполняемых соответствующими настоящему изобретению реакторами на твердых электролитах. Бвек и Паркер описали топливный элемент с закрытым концом, где воздух подается к внутренней катодной стороне мембраны из твердого электролита по коаксиальной внутренней трубе, которая подает воздух, подогреваемый перед вводом в катодный канал, где происходит перенос кислорода. Однако Бвек и Паркер не рассматривали вопрос динамики управления теплом и потоком.

Кроме того, устройство корпорации Вестингауз в отличие от настоящего изобретения представляет собой не реактор для производства тепла или требуемого продукта анодной стороны, а топливный элемент для производства электрической энергии и, следовательно, не может использовать смешанные или двухфазные проводники в качестве электролита. Более того, конструкцию твердых топливных элементов корпорации Вестингауз (фиг.4) представляют также устройства низкого давления, тогда как соответствующие настоящему изобретению реакторы обычно имеют повышенное давление, по меньшей мере, на одной стороне мембраны из твердого электролита. Поскольку перепад давления между двумя сторонами невысок, вопрос уплотнения не является целью, хотя он занимает значительную часть настоящего изобретения. Конструкция топливного элемента корпорации Вестингауз отличается также концентрической внутренней трубой для подачи воздуха, однако без учета практических проблем конструкции устройства, встречающихся в отделителе кислорода переносом ионов.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создать эффективный способ с использованием системы ионных проводников из твердого электролита, где функции разделения газов, возможно химической реакции, и охлаждения объединены в одном устройстве для доведения до максимума использования обычных материалов и обычных конструктивных способов.

Целью изобретения является также получение соответствующих изобретению систем переноса ионов на твердом электролите, способных объединяться в высокотемпературном цикле типа газовых турбин.

Следующей целью настоящего изобретения является обеспечить возможность использования продувочного потока для стороны отвода или анода разделителя с переносом ионов для повышения восстановления кислорода, не воздействуя на ранее упомянутые преимущества.

Еще одной целью изобретения является объединить секцию реакции с устройством, создающим поток, состоящий из продуктов реакции, в одном и том же трубчатом канале выше по потоку от секции разделения с целью продувки стороны отвода, то есть анодной стороны разделителя, для повышения восстановления кислорода, не оказывая влияния на ранее описанные преимущества, и благодаря этому объединить большинство операций блока, требуемых для разделения газа посредством мембраны для переноса ионов в одном устройстве, с целью значительного упрощения операций процесса.

Изобретение относится к способу разделения кислородного газового потока на обогащенный кислородом газовый поток в качестве проникающего потока и обедненный кислородом газового потока в качестве остающегося потока посредством выделения кислорода из подаваемого газового потока, содержащего элементарный кислород и после этого охлаждения кислородного газового потока или полученного из него обогащенного кислородом газового потока, в одном разделительно-охлаждающем устройстве. Разделительно-охлаждающее устройство имеет секцию разделения и секцию охлаждения и выход кислородного продукта, в котором секция разделения включает в себя мембрану для переноса ионов, имеющую сторону подвода и сторону отвода. Способ содержит следующие операции: (а) сжатие подаваемого газового потока, (в) разделение сжатого газового подаваемого потока на основную часть газового потока и вспомогательную часть газового потока, (с) нагрев основной части газового потока, (d) введение нагретого основного газового потока в секцию разделения устройства, (е) введение второстепенной части газового потока в секцию охлаждения рядом с выходом кислородного продукта, (f) удаление кислорода из нагретой основной части газового потока через мембрану для переноса ионов секции разделения с целью получения горячего, обогащенного кислородом газового потока на стороне отвода мембраны и обедненного кислородом газового потока на стороне подвода мембраны и (g) передача тепла от обогащенного кислородом газового потока вспомогательной части газового потока, с целью получения кислородного газового потока или газового потока, обогащенного кислородом продукта, и нагретой вспомогательной части газового потока, в котором вспомогательная часть газового потока либо выходит из устройства, либо объединяется с нагретой основной частью газового потока перед вводом нагретой части основного газового потока в секцию разделения устройства и в котором обедненный кислородом газовый поток выходит из устройства.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения разделительно-охлаждающее устройство дополнительно содержит секцию реактора, включающую в себя мембрану для переноса ионов, имеющую сторону подвода и сторону отвода для создания единого устройства -"реактор-охладитель" или единого устройства - "реактор-разделитель-охладитель". В устройстве реактор-разделитель-охладитель химически активный газовый поток вводится на стороне отвода мембраны для переноса ионов в секции реактора устройства с целью вступления в реакцию со вторым кислородным газовым потоком, проникающим через мембрану для переноса ионов рядом со стороной отвода мембраны для переноса ионов, для создания газового потока продуктов реакции, который используется для продувки стороны отвода мембраны для переноса ионов в секции разделения устройства, а газовый поток продуктов реакции и первый поток кислородного газа и любой не вступивший в реакцию кислород из второго кислородного потока объединяются в виде обогащенного кислородом газового потока, который выходит из устройства, и в котором обедненный кислородом газовый поток отдельно выходит из устройства. Мембрану для переноса ионов секции разделения устройства и мембрану для переноса ионов секции реактора можно образовать совместно и более предпочтительно, мембрана для переноса ионов секции разделения устройства включает в себя пористую поддерживающую подложку и содержит материал переноса ионов, имеющий высокую проводимость кислорода при высоком парциальном давлении кислорода, а мембрана для переноса ионов секции реактора устройства содержит слой смешанного проводника, имеющий оптимальную стойкость при низком парциальном давлении кислорода.

Мембрана для переноса ионов секции реактора и мембрана для переноса ионов секции разделения могут быть образованы совместно с трубопроводом для переноса обогащенного кислородом газового потока через секцию охладителя устройства.

Трубопровод для перенесения обогащенного кислородом газового потока через секцию охлаждения представляет собой металлическую трубу и соединяется с мембраной для переноса ионов секции реактора устройства посредством сварки или пайки твердым припоем.

Трубопровод для переноса обогащенного кислородом газового потока через секцию охлаждения устройства содержит плотный уплотняющий материал и соединяется с мембраной для переноса ионов секции реактора устройства посредством сварки или пайки твердым припоем.

Секция разделения может включать в себя секцию реактора, а операция отвода кислорода через мембрану включает в себя введение химически активного газового потока на стороне отвода от мембраны для переноса ионов для вступления в реакцию, по меньшей мере, с частью переносимого кислорода.

Химически активный газ нагревают перед его вводом в секцию реактора устройства.

Изобретение также относится к способу получения обедненного кислородом газового потока и газового потока продуктов химической реакции в виде проникающего потока посредством первого выделения кислорода из подаваемого газового потока, содержащего элементарный кислород, для создания обедненного кислородом газового потока и горячего газового потока продуктов реакции, а после этого - охлаждения газового потока продуктов реакции в едином устройстве реактор-охладитель с целью получения газового потока продуктов химической реакции. Устройство реактор-охладитель имеет секцию реактора и секцию охлаждения и выход для продуктов реакции, а секция реактора включает в себя мембрану для переноса ионов, имеющую сторону подвода и сторону отвода. Способ содержит следующие операции: (а) сжатие подаваемого газового потока, (b) разделение сжатого газового потока на основную часть газового потока и вспомогательную часть газового потока, (с) введение основной части газового потока в секцию реактора устройства, (d) введение вспомогательной части газового потока в секцию охлаждения рядом с выходом для продуктов реакции, (е) отвод кислорода из основной части газового потока через мембрану для переноса ионов секции реактора посредством введения химически активного газового потока на стороне отвода от мембраны для переноса ионов в секции реактора устройства с целью вступления в реакцию с кислородным газовым потоком, проникающим через мембрану для переноса ионов рядом со стороной отвода от мембраны для переноса ионов, с целью получения газового потока продуктов реакции на стороне отвода от мембраны для переноса ионов и обедненного кислородом газового потока на стороне подвода к мембране для переноса ионов, и (f) передача тепла от горячего газового потока продуктов химической реакции вспомогательной части газового потока для создания газового потока продуктов реакции и нагретой вспомогательной части газового потока, в котором вспомогательная часть газового потока либо выводится из устройства, либо объединяется с нагретой основной частью газового потока перед введением нагретой основной части газового потока в секцию реактора устройства и в котором обедненный кислородом газовый поток также выходит из устройства. Изобретение применимо к любой реакции окисления или частичного окисления на стороне отвода от мембраны для переноса ионов. Примеры таких применений включают камеры сгорания, устройства разложения, процессы производства синтез-газа или других окислительных процессов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения основная часть газового потока нагревается до промежуточной температуры перед его введением в секцию реактора устройства. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения газовый поток продуктов химической реакции оказывается по существу свободным от водорода. В следующем варианте осуществления изобретения мембрана для переноса ионов секции реактора и трубопровод для транспортирования газового потока продуктов химической реакции через секцию охладителя устройства выполнены в виде единого целого.

Изобретение также относится к способу получения обогащенного кислородом газового потока и обедненного кислородом газового потока посредством выделения кислорода из подаваемого газового потока, содержащего элементарный кислород, в устройстве реактор-разделитель. Устройство реактор-разделитель имеет секцию разделения и секцию реактора, в котором секции разделения и реактора включают в себя, по меньшей мере, одну мембрану для переноса ионов, имеющую сторону подвода и сторону отвода. Способ содержит следующие операции: (а) сжатие подаваемого газового потока, (b) введение сжатого подаваемого газового потока в устройство и передача тепла от газового потока продуктов химической реакции, (с) удаление кислорода из нагретого подаваемого гaзового потока посредством мембраны для переноса ионов в секции реактора с целью создания газового потока химической реакции на стороне отвода от мембраны и обедненного кислородом газового потока на стороне подвода к мембране, и (d) удаление дополнительного кислорода из частично обедненного кислородом газового потока с помощью мембраны для переноса ионов в секции разделения для создания обедненного кислородом газового потока на стороне подвода к мембране. Химически активный газовый поток вводится на стороне отвода от мембраны для переноса ионов в секции реактора с целью вступления в реакцию с кислородом, проходящим через мембрану для переноса ионов рядом со стороной отвода от мембраны, для создания газового потока продуктов химической реакции, который используется для продувки со стороны отвода от мембраны для переноса ионов в секции разделения, а газовый поток продуктов химической реакции и не вступивший в реакцию передаваемый кислород объединяются в виде обогащенного кислородом газового потока, отводимого из устройства. Обедненный кислородом газовый поток предпочтительно отдельно отводится из устройства.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения мембрана для переноса ионов секции разделения устройства и мембрана для переноса ионов секции реактора устройства выполнены за одно целое. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения мембрана для переноса ионов секции разделения устройства включает в себя пористую поддерживающую подложку и содержит материал для переноса ионов, имеющий высокую проводимость ионов кислорода при высоком парциальном давлении кислорода, а мембрана для переноса ионов секции реактора устройства содержит слой смешанного проводника, имеющий оптимальную стойкость при низком парциальном давлении кислорода. Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения химически активный газ нагревается перед его введением в секцию реактора устройства.

Используемый здесь термин "элементарный кислород" означает любой кислород, который не объединен ни с каким другим элементом в периодической таблице элементов. Хотя кислород обычно находится в двухатомной форме, элементарный кислород включает одноатомный кислород, трехатомный озон и другие формы, не объединенные с другими химическими элементами.

Используемый здесь термин "реактор" означает разделитель, в котором переносимый кислород подвергается химической реакции и благодаря этому происходит потребление кислорода. Хотя термины "реактор" и "разделитель" используются здесь иногда для описания различных секций соответствующего настоящему изобретению устройства, термин "разделитель" используется здесь также при описании секции реактора и (или) разделителя.

Другие цели, особенности и преимущества изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из последующего описания предпочтительного варианта осуществления изобретения и прилагаемых чертежей, на которых: на фиг. 1А представлен схематически вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию разделитель-охладитель с ионными проводниками из твердого электролита, отличающуюся трубой переноса ионов с закрытым и свободно плавающим концом; фиг.1В - схематически способ соединения трубы переноса ионов секции разделения с металлической трубой секции охлаждения посредством сварки, пайки твердым припоем или механическим соединением труб для осуществления уплотнения; фиг. 2 - схематически другой вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию реактор-разделитель-охладитель с ионными проводниками из твердого электролита, отличающуюся переносом ионов через трубу со скользящим уплотнением; фиг. 3 - схематически вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию разделитель-охладитель с ионным проводником из твердого электролита, отличающуюся трубой для переноса ионов с закрытым и свободно плавающим концом; фиг. 4 - схематически другой вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию реактор-разделитель-охладитель с ионным проводником из твердого электролита, отличающуюся трубой для переноса ионов с закрытым и свободно плавающим концом; фиг. 5 - схематически вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию реактор-охладитель с ионным проводником из твердого электролита, отличающуюся переносом ионов через трубу со скользящим уплотнением и имеющую возможность охлаждать выходящие из нее потоки со стороны подвода и стороны отвода мембраны; фиг. 6 - схематически еще один вариант осуществления изобретения, иллюстрирующий основную конструкцию реактор-охладитель с ионным проводником из твердого электролита, отличающуюся трубой для переноса ионов с закрытым и свободно плавающим концом; фиг. 7 - схематически часть трубы для переноса ионов в поперечном разрезе, в которой мембрана для переноса ионов секции реактора, мембрана переноса ионов секции разделения и трубопровод секции охладителя устройства образованы за одно целое; фиг. 8 - блок-схема, иллюстрирующая полный цикл разделения кислорода-водорода, используя соответствующий настоящему изобретению реактор-разделитель-охладитель; фиг. 9 - блок-схема, иллюстрирующая соответствующий изобретению реактор-разделитель-охладитель, объединенные в цикл газовой турбины.

Некоторые из основных проблем, на которые направлено настоящее изобретение, включают снижение до минимального уровня сопротивление газообразной диффузии, устранение чрезмерных напряжений от теплового и композиционного расширения и сжатия и уплотнение элементов для переноса ионов в устройстве для переноса ионов. Последняя проблема усугубляется тем, что рабочая температура мембраны для переноса ионов лежит в диапазоне от 500 до 1100^oС. Изобретение, в котором в предпочтительных вариантах осуществления использованы элементы для переноса ионов в форме труб, устраняет вышеупомянутые напряжения благодаря использованию труб, которые закрыты на концах и имеют свободно плавающие концы. Проблема уплотнения также облегчается по существу посредством сочетания функций разделения и (или) химической реакции переноса ионов с охлаждением кислорода в одном устройстве. Как описывается ниже, это предпочтительно позволяет поддерживать температуру соединения трубы с трубной решеткой в диапазоне от 180 до 300^oС и позволяет использовать обычную технику, например сварку, пайку твердым припоем или механические средства, чтобы выполнить уплотнение. В предпочтительном способе часть подаваемого воздуха проходит мимо камеры сгорания или нагревателя и служит в качестве поглотителя тепла для охлаждения кислородного продукта или выходящего газового потока продуктов химической реакции. Диффузионное сопротивление при высоком давлении газа уменьшается посредством установки отражательной перегородки, которая обеспечивает высокие скорости поперечного течения или посредством каналов с малыми гидравлическими радиусами.

Другие функции типа косвенного нагрева третьего газового потока или разделения потока кислородной продукции посредством соответствующей мембраны из твердого электролита объединены для достижения оптимальной простоты, отвечая в то же время описанным в предыдущем разделе операционным требованиям.

Изобретение выполняет все подлежащие осуществлению и практическому применению функциональные требования к реакторам с твердыми электролитами и раскрывает способ целесообразного объединения функций реактора с другими операциями. В частности, изобретение вводит средство переноса тепла таким образом, что тепло, выделяемое при химической реакции, отводится от элементов ионных проводников из твердого электролита, поддерживая тем самым довольно постоянную температуру элементов ионных проводников из твердого электролита. Это достигается посредством изменения локальных коэффициентов теплопередачи в необходимых пределах посредством выбора соответствующей конфигурации поверхности теплопередачи и соответственных локальных скоростей течения. В то же время эффективный перенос масс кислорода к катодной поверхности и реагирующего вещества к анодной поверхности мембраны обеспечивается либо высокой турбулентностью, либо узким размером каналов. Кроме того, уделяется внимание необходимости поддержания парциального давления кислорода на анодной поверхности или возле нее на достаточно высоком уровне в течение длительного срока службы конкретного смешанного или двухфазного проводника, используемого благодаря балансированию локальной динамики кислородного течения и реакции. Это достигается посредством выбора мембраны с надлежащей ионной проводимостью и толщиной, с одной стороны, и управления каталитической активностью материалом катализатора и (или) площадью поверхности, с другой стороны.

Как упоминалось выше, в настоящем изобретении используется множество основных подходов к уменьшению или устранению проблем, встречающихся в устройстве разделения с переносом ионов. Наибольшие преимущества, имеющиеся, по меньшей мере, в некоторых из различных вариантов осуществления изобретения, представленных на чертежах, являются следующие: (i) свободно плавающие и закрытые концы труб устраняют напряжения из-за разности теплового или композиционного расширения, (ii) введение охладителя в устройство разделителя с переносом ионов устраняет необходимость в отдельном и дорогостоящем охладителе высокотемпературного кислорода с дополнительными трубными решетками и оболочкой, (iii) объединение разделителя с охладителем в одном и том же устройстве позволяет сохранять умеренную температуру трубных решеток, допускающую приемлемо высокие напряжения конструкции при относительно недорогостоящих материалах и обычные соединения между трубами и трубными решетками, (iv) изолированные емкости позволяют осуществлять использование недорогостоящих материалов конструирования оболочки, (v) использование отражательных перегородок и высоких скоростей потока газа увеличивает перенос массы и тепла, (vi) использование части содержащего кислород подаваемого газа обеспечивает поглотитель тепла для охлаждения газового потока кислородного продукта и (vii) упрощаются оборудование и система труб.

Трубы ионных проводников из твердого электролита, используемые в соответствующих изобретению вариантах осуществления, обычно состоят из смешанного или двухфазного проводника из твердого оксида плотных стенок или смешанного либо двухфазного проводника из тонкопленочного твердого оксида, поддерживаемого пористой подложкой. Материал ионного проводника из твердого электролита должен иметь достаточную способность проводить ионы и электроны кислорода в диапазоне температур от 500^oС до 1100^oС при преобладающих парциальных давлениях кислорода, когда на поверхности мембраны ионного проводника из твердого электролита поддерживается химическая разность потенциалов, создаваемая отношением парциальных давлений кислорода на мембране ионного проводника из твердого электролита. Подходящими материалами для ионных проводников из твердого электролита являются перовскиты и двухфазные сочетания окиси между металлами, перечисленные в таблице. Поскольку химически активная среда на анодной стороне мембраны ионного проводника из твердого электролита во многих применениях создает очень низкие парциальные давления кислорода, предпочтительными материалами могут быть приведенные в таблице, содержащие хром перовскиты, поскольку они стремятся быть стойкими в этой среде, то есть они химически не разлагаются при очень низких парциальных давлениях кислорода. В целях повышения химической активности и (или) получения большей площади поверхности для обмена на обеих сторонах мембраны ионного проводника из твердого электролита можно факультативно добавлять пористые слои катализатора для повышения химических реакций на этих поверхностях, когда это необходимо. Однако эти слои пористого катализатора могут иметь тот же материал перовскит из твердого электролита, который используется в трубах переноса ионов. В качестве альтернативы поверхностный слой мембраны ионного проводника из твердого электролита можно легировать, например кобальтом, с целью повышения динамики поверхностного обмена.

В конструкции важно также балансировать локальную динамику потока кислорода и химической реакции для обеспечения гарантии, что локальные парциональные давления кислорода находятся на уровне, обеспечивающем стойкость материала, то есть обычно выше 10^-15 атмосферы для известных в настоящее время материалов. Поток кислорода имеет сложную функциональную зависимость от ионной проводимости материала, толщины стенок твердого электролита, динамики химической реакции, парциального давления топлива и химической активности катализатора, на которые могут оказывать влияние выбор катализатора и увеличенная площадь катализатора. Газовый поток на стороне химической реакции труб из твердого электролита может иметь противоположный или совпадающий ток. При некоторых обстоятельствах может оказаться важным направление газового потока, поскольку это оказывает влияние на окружающие среды локальной динамики химической реакции и парциального давления кислорода. Последний аспект оказывает влияние на кислородный поток, стойкость материала и композиционные напряжения.

Как правило, основная часть газового потока нагревается до промежуточной температуры перед ее введением в секцию реактора устройства, что повышает эффективность процесса. Однако, если устройство включает в себя секцию реактора и требуется довести до максимума способность реактора вырабатывать тепло от химической реакции проникающего кислородного газового потока и химически активного газового потока, основная часть газового потока не нагревается перед ее введением в устройство.

На фиг. 1А показан схематически разделитель-охладитель для переноса ионов. Обычно подаваемый газовый поток, содержащий элементарный кислород, сжимается и делится на две части, подлежащие передаче в устройство разделитель-охладитель. Хотя вспомогательная часть газового потока холодного подаваемого газового потока 2 подается непосредственно в устройство, основная часть газового потока обычно нагревается для создания горячего подаваемого газового потока 1 перед его использованием. Во время работы горячий подаваемый газовый поток 1 вводится в секцию 30 разделителя, а холодный подаваемый газовый поток 2 с температурой предпочтительно в диапазоне от 80 до 250^oС подается в секцию 32 охлаждения. Поскольку давление газовых потоков по существу одинаковое в секции 30 разделителя и секции 32 охладителя устройства, для разделения двух секций необходима только отражательная перегородка 11. Отражательная перегородка 11 может быть не изолированной, но она может быть и изолированной. Трубы 5 разделителя-охладителя переноса ионов проходят по обеим секциям 30 и 32. Трубы 5 разделителя-охладителя для переноса ионов закрыты колпачками и их верхние концы свободно плавают в устройстве, как показано на чертеже, и уплотнены и прикреплены к трубной решетке 4 у основания устройства, как показано на чертеже. Поскольку температура трубной решетки 4 оказывается ниже 300^oС, можно использовать такие стандартные способы соединения, например сварку, пайку твердым припоем или локальное расширение трубы (обкатка), кольца с круглым поперечным сечением или другие механические средства для выполнения соединения трубы 5 разделителя-охладителя для переноса ионов с трубной решеткой 4. Трубы 5 для переноса ионов должны иметь возможность свободно расширяться с учетом осевого удлинения вследствие теплового и композиционного расширения. Изоляция 15 изолирует элементы, сдерживающие давление стенки 16 устройства для обеспечения возможности использования стандартных материалов конструкции, например нержавеющей стали или углеродистой стали.

Трубу 5 можно использовать как в секции 30 разделения, так и в секции 32 охлаждения устройства. Из-за того, что материал, из которого изготовлены трубы 5 разделителя-охладителя для переноса ионов, проводит ионы кислорода при повышенной температуре, но по существу оказываются непроницаемыми при более низких температурах, он может действовать в качестве мембраны разделителя в секции 30 разделения и в качестве поверхности переноса тепла в секции 32 охлаждения. Чтобы добиться требуемых высоких кислородных потоков, предпочтительными являются трубы 5 разделителя-охладителя, выполненные в виде тонкого плотного разделяющего слоя, поддерживаемого пористой подложкой. Плотный разделительный слой таких труб 5 разделителя-охладителя изготавливается из материала, имеющего высокую проводимость ионов кислорода при высоких парциальных давлениях кислорода. Как отмечалось выше, подходящими материалами являются представленные в таблице смешанные и двухфазные проводн