[發(fā)明專(zhuān)利]將氣體中的氧富集的方法、適用于此的設(shè)備及其應(yīng)用

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680004614.0
• 申請(qǐng)日: 2006-01-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101115678A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·韋特;B·科爾貝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 猶德有限公司;博爾西希工業(yè)用熱交換器有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): C01B13/02
• 分類(lèi)號(hào): C01B13/02;B01D53/22;B01D71/02
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 殷駿

本發(fā)明涉及一種用于富集氧氣的改進(jìn)的方法以及為此改進(jìn)的設(shè)備。

氧轉(zhuǎn)移隔膜(oxygen-transfer-membrane，下面也稱(chēng)為“OTM”)是具有特定組成和晶格結(jié)構(gòu)的在較高溫度下具有氧氣傳導(dǎo)能力的陶瓷。因此，可以選擇性地例如從空氣中分離出氧氣。從隔膜的一側(cè)到另一側(cè)的氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力是兩側(cè)上不同的氧氣分壓。

已經(jīng)嘗試了一段時(shí)間以利用長(zhǎng)期已知的選擇性氧氣傳導(dǎo)效應(yīng)用于回收氧氣或直接用于制備合成氣。

已經(jīng)提出兩種不同方法用于產(chǎn)生氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。使擴(kuò)散通過(guò)陶瓷的氧氣立即在滲透?jìng)?cè)上反應(yīng)或者借助于沖掃氣體(下面也稱(chēng)為“清掃氣體”)將氧氣從隔膜的滲透?jìng)?cè)掃除。這兩種方法導(dǎo)致滲透?jìng)?cè)上低的氧氣分壓。

在OTM運(yùn)行中，典型地采用明顯小于1mm的隔膜厚度和約800-900℃的溫度。已知通過(guò)較厚隔膜的氧氣轉(zhuǎn)移取決于不同氧氣分壓系數(shù)的對(duì)數(shù)。還已知在非常薄的隔膜情形下，不再與系數(shù)對(duì)數(shù)而可能僅與氧氣分壓之間的差值相關(guān)。

在OTM系統(tǒng)領(lǐng)域中的有多個(gè)專(zhuān)利起始于反應(yīng)和氧氣轉(zhuǎn)移的直接偶聯(lián)。將催化劑直接施加在隔膜上或者在隔膜附近采用催化劑傾注。在運(yùn)行中，在隔膜的一側(cè)將氧化劑引入該系統(tǒng)并且在另一側(cè)上引入可氧化介質(zhì)，這兩種介質(zhì)僅通過(guò)薄的陶瓷隔膜分隔開(kāi)。這類(lèi)直接偶聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)例在US-A-5,591,315、US-A-5,820,655、US-A-6,010,614、US-A-6,019,885、EP-A-399,833、EP-A-882,670和EP-A-962,422中。

直接偶聯(lián)系統(tǒng)在許多方面仍然需要改進(jìn)。因此，首先必須克服例如由陶瓷隔膜的典型的材料脆性引起的運(yùn)行安全性問(wèn)題。在高的反應(yīng)溫度下，如果所述隔膜破裂并且氧氣和待氧化的試劑在高溫下混合，則這可能造成嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。另外，氧氣滲透可能隨著升高的溫度成指數(shù)地增加，并且在放熱反應(yīng)的情形中有反應(yīng)失控的危險(xiǎn)。

偶聯(lián)系統(tǒng)的另一些可能的問(wèn)題是隔膜的滲透?jìng)?cè)的焦化趨勢(shì)、當(dāng)放熱和吸熱反應(yīng)組合在隔膜的滲透?jìng)?cè)上時(shí)反應(yīng)器中不均勻的溫度分布、隔膜有限的化學(xué)穩(wěn)定性或者金屬密封/陶瓷復(fù)合材料的不密封性的影響。

上述安全性問(wèn)題的避開(kāi)和反應(yīng)技術(shù)簡(jiǎn)化通過(guò)隔膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)移分離和實(shí)際的氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。在隔膜的滲透?jìng)?cè)上通過(guò)接收氧氣的沖掃氣體(清掃氣體)將氧氣分離，并且使其在另一個(gè)物理分離的反應(yīng)器(部件)中與待氧化的介質(zhì)接觸。

專(zhuān)利文獻(xiàn)描述了不同的沖掃氣體，例如得自燃燒反應(yīng)的水蒸氣或廢氣(即主要是CO₂)。這些去偶聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)例存在于US-A-6,537,465、EP-A-1,132,126、US-A-5,562,754、US-A-4,981,676、US-A-6,149,714中。用于這些系統(tǒng)中的清掃氣體可以包含少量比例的氧氣。

在這些專(zhuān)利文獻(xiàn)中，在進(jìn)料側(cè)將空氣用作氧氣供應(yīng)源。由不含氧氣或者基本不含氧氣的清掃氣體降低了滲透?jìng)?cè)上的氧氣濃度，經(jīng)此產(chǎn)生氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。沒(méi)有披露含氧清掃氣體例如空氣的使用。盡管EP-A-1,132,126和US-A-5,562,754涉及“不與空氣反應(yīng)的清掃氣體”，但在說(shuō)明書(shū)中僅提到水蒸氣的使用。

背景在于：首先，在隔膜兩側(cè)上使用含氧沖掃氣體時(shí)氧氣分壓沒(méi)有差異或者僅僅微小的差異(并且因此沒(méi)有氧氣滲透或者僅僅減少的氧氣滲透)。另外，伴隨著空氣作為清掃氣體的使用，其中使用了氮?dú)猓谠S多氧化反應(yīng)中氮?dú)獾拇嬖谑窍Ｍ苊獾摹?/p>

起始于該現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種用于從含氧氣體中回收氧氣的改進(jìn)方法，該方法具有提高的運(yùn)行穩(wěn)定性并且即使在放熱反應(yīng)的情形中也能夠有穩(wěn)定的工序。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于從含氧氣體中回收氧氣的改進(jìn)方法，該方法可以長(zhǎng)時(shí)間工作而不用更換隔膜并且相對(duì)于隔膜或金屬密封/陶瓷復(fù)合材料中的不密封性具有高的誤差容許量。

本發(fā)明涉及一種在分離裝置中使含氧和氮的氣體中的氧含量富集的方法，該裝置具有被氧傳導(dǎo)性陶瓷隔膜分成基質(zhì)室和滲透室的內(nèi)部空間，該方法包括以下步驟：

a)將含氧氣體壓縮并且加熱成進(jìn)料氣體，

b)將壓縮和加熱的進(jìn)料氣體引入分離裝置的基質(zhì)室，

c)將含氧和氮的沖掃氣體引入分離裝置的滲透室，

d)在基質(zhì)室中設(shè)置壓力以使得進(jìn)料氣體的氧氣分壓造成氧氣通過(guò)氧傳導(dǎo)性陶瓷隔膜進(jìn)入滲透室中的轉(zhuǎn)移，

e)從基質(zhì)室中排出貧氧的進(jìn)料氣體，和

f)從滲透室中排出富集氧氣的沖掃氣體。

與迄今為止的方法相反，根據(jù)本發(fā)明提出了在滲透?jìng)?cè)上使用含氧和氮的氣體作為清掃氣體。