[實用新型]從含氧氣態混合物分離氧氣的組件

有效

• 申請號: 201520060123.4
• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN204865557U
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發明（設計）人: T·R·欣克林;C·A·盧因森
• 申請（專利權）人: 氣體產品與化學公司
• 主分類號: B01D63/08
• 分類號: B01D63/08;B01D53/22
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 吳亦華;徐志明

關于聯邦資助的研究或開發的聲明

本發明是在AirProductsandChemicals，Inc.和美國能源部(U.S.DepartmentofEnergy)之間的合作協議號DE-FC26-98FT40343下由政府支持完成的。美國政府在本發明中具有一定權利。

技術領域

本發明涉及能夠從含氧氣態混合物分離氧氣的由多個膜單元形成的平面固態膜組件(membranemodule)。所述組件由包含混合傳導性金屬氧化物(mixedconductingmetallicoxide)的多個平面固態膜單元制造，所述混合傳導性金屬氧化物在升高的溫度下表現出電子傳導性和氧離子傳導性。

背景技術

含有某些混合金屬氧化物組成的陶瓷材料在升高的溫度下兼具氧離子傳導性和電子傳導性。這些材料，本領域中稱為混合傳導性金屬氧化物，可以用于包括氣體分離膜和膜氧化反應器的應用中。這些陶瓷膜由選定的混合金屬氧化物組合物制成并已經描述為離子轉運膜(ITM)。這些材料的特征性質是它們的氧化學計量是溫度和氧分壓的熱力學函數，其中平衡氧化學計量隨著溫度增加和隨著氧分壓降低而降低。

已知由于熱膨脹和收縮，大多數材料的尺寸隨著溫度變化而改變。除了這些熱尺寸變化之外，混合傳導性金屬氧化物材料還經歷化學尺寸變化，這種變化隨金屬氧化物氧化學計量而變化。在等溫條件下，由混合傳導性金屬氧化物材料制成的物品將隨著氧化學計量降低而尺寸增加。在等溫條件下，氧化學計量隨著氧分壓降低而降低。因為平衡氧化學計量隨著溫度降低而增加，所以由混合傳導性金屬氧化物制成的物品將隨著溫度降低而由于熱和化學尺寸變化而收縮。相反，在恒定的氧分壓下隨著溫度升高，由混合傳導性金屬氧化物制成的物品將通過熱和化學尺寸變化而膨脹。這記述在S.B.Adler的題為ChemicalExpansivityofElectrochemicalCeramics的論文中，J.Am.Ceram.Soc.84(9)2117-19(2001)。

因此，在混合傳導性金屬氧化物材料中，尺寸變化由平衡氧化學計量變化引起。在恒定氧分壓下改變溫度或在恒定溫度下改變氧分壓將改變混合傳導性金屬氧化物材料的平衡氧化學計量。例如，當混合傳導性金屬氧化物用作離子轉運膜時，跨膜的氧分壓差在所述膜兩個表面的每一個上產生平衡氧化學計量的差異，后者又產生氧離子轉運穿過所述膜的熱力學驅動力。

在利用混合傳導性金屬氧化物膜的氣體分離系統啟動期間，溫度增加并且所述膜的一側或兩側的氧分壓可以變化。所述膜材料的平衡氧化學計量將響應于溫度和氧分壓的變化而變化。氧陰離子將轉運進或出膜材料并且所述膜材料將接近它的平衡氧化學計量值。隨著氧化學計量和溫度變化，所述膜的尺寸將變化。所述膜與膜表面上的氧分壓達到化學平衡所需要的時間將取決于氧陰離子進出所述膜的轉運速率。平衡發生所需要的時間隨材料組成、溫度和膜組件的尺寸而變化。

不同的膜組成將具有不同的氧陰離子擴散率，且在所有其他因素相同的情況下，擴散率較高的組成將更快地與氣相平衡。對于給定的膜組成而言，氧陰離子擴散率隨著溫度指數地提高。因此，平衡時間隨著溫度升高而減少。最后，平衡時間大致隨著膜組件中部件的特征尺寸(例如長度或厚度)的平方而增加。因此，在所有其他因素相同的情況下，較薄的部件將比較厚的部件更快平衡。隨著部件的厚度增加和隨著溫度降低，由于氧陰離子進出所述部件的擴散緩慢，保持所述部件的內部與氣相平衡變得愈加困難。除了表現得像薄部件之外，多孔材料可能的額外利益還在于，緊挨著致密層的多孔層增加了表面反應可利用的表面積。在氧進入或離開所述陶瓷的表面反應是速率限制性的情況下，由多孔層所致的表面積增加將幫助保持所述致密層處于平衡。

已知混合傳導性金屬氧化物陶瓷部件中的溫度梯度可以由于差異性熱膨脹和收縮而產生差異性應變。類似地，陶瓷部件中的氧化學計量梯度可由于差異性化學膨脹和收縮而產生差異性應變。這種氧化學計量梯度可以足夠大以產生相應大的差異性化學膨脹，并因此產生大的機械應力，從而導致部件故障。因此，希望避免差異性化學膨脹或至少將所述差異性化學膨脹控制到低于最大允許值。