膜分离法和用于高能效地产生氧气的膜设备制造技术

本发明专利技术涉及一种膜分离法和一种用于在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。本发明专利技术的基本任务是说明一种可能性，从而使得在避免现有技术的缺点的情况下能够显著提升尤其是利用自给自足式的MIEC膜设备生产氧气的MIEC膜法的能效。根据本发明专利技术，该任务利用在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法通过以下方式解决，即，通过利用废气和/或获取的氧气的废热实现至少85％的用于加热新鲜空气所必需的热能，通过外部的能量输入实现其余的加热并且在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内，其中，新鲜空气在分离出氧气之后作为废气排出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种膜分离法和一种在使用混合导电陶瓷膜的情况下高能效地产生氧气的膜设备。
技术介绍
目前优选地通过变压吸附(PSA-PressureSwingAdsorption，变压吸附)或者通过低温空气分离(法)来传统地生产氧气。能量高度优化的大型设备达到最小0.34kWhel./Nm3O2的单位能耗(kryogen-Fu,C,Gundersen,T.:UsingexergyanalysistoreducepowerconsumptioninairSeparationunitsforoxy-combustionprocesses.Energy44(2012)1,60-68(低温-Fu,C.,Gundersen,T.:使用放射本能分析来降低用于氧气燃烧过程的空气分离单元中的能耗。能源44(2012)1,60-68))或0.36kWhel./Nm3O2的单位能耗(PSA-Dietrich,W.,Scholz,G.,Voit,J.:Linde-VerfahrenzurGewinnungvonSauerstoffundOzonfüreineZellstoff-undPapierfabrik；BerichteausTechnikundWissenschaft80(2000),3-8(PSA-Dietrich,W.,Scholz,G.,Voit,J.:针对纸浆厂和造纸厂用于获取氧气和臭氧的Linde法；技术科学报告80(2000),3-8))。然而，传统设备的单位能耗却随着对生成气体(氧气)的所追求的纯度的提高而剧烈增加，同样也随着设备尺寸的减小而剧烈增加。因此，生产率为最多大约1000Nm3O2/h的较小的PSA设备需要至少1.0kWhel./Nm3的O2，但是在此却仅提供95Vol-％的氧气。基于这种高的单位能耗，非集中式的氧气产生对于许多在燃烧和气化技术中的应用来说在经济上是没有意义的。更加不经济的是尤其是在持续需要氧气的情况下通过瓶子或者液体罐进行供给。一种替选的、用于制造氧气的方法基于一种高温环境下的膜分离过程。为此使用混合导电陶瓷膜(MIEC-MixedIonicElectronicConductors，混合离子电子导体)，它能够实现高度选择性地分离出氧气。氧气运输基于将氧离子运输穿过气密性的陶瓷材料并同时进行对电子载流子(电子或空穴)的运输。自1980年以来，在氧气运输和其他的材料特性方面研究了许多的陶瓷材料(Sunarso,J.,Baumann,S.,Serra,J.M.,Meulenberg,W.A.,Liu,S.,Lin,Y.S.,DinizdaCosta,J.C.:Mixedionic-electronicconducting(MIEC)ceramic-basedmembranesforoxygenseparation(基于混合离子电子导电(MIEC)陶瓷的氧气分离膜)；JournalofMembraneScience320(2008),13–41)。氧气穿过MIEC膜的渗透可以用瓦格纳等式来描述，并且主要通过材料在使用温度下的双极导电性、通过膜厚度并且通过驱动力来确定。驱动力由供给气体中的氧气分压力pO(h)与冲洗气体或渗透气体中的氧气分压力pO(I)的算法关系得出。穿过MIEC膜的氧气流因此在给定的材料、恒定的膜厚度和固定的温度下与ln{pO(h)/pO(I)本文档来自技高网...

【技术保护点】
在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气中高能效地获取氧气的膜分离法，其中，新鲜空气在分离出氧气后作为废气排出，其特征在于，‑通过利用废气的和/或获取的氧气的废热实现至少85％的用于加热新鲜空气所必需的热能，‑通过外部的能量输入实现其余的加热，‑在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1之间的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.17 DE 102013107610.61.在真空运行时使用混合导电膜的情况下从经加热的新鲜空气
中高能效地获取氧气的膜分离法，其中，新鲜空气在分离出氧气后作
为废气排出，其特征在于，
-通过利用废气的和/或获取的氧气的废热实现至少85％的用于加
热新鲜空气所必需的热能，
-通过外部的能量输入实现其余的加热，
-在正常运行时将新鲜空气与产生的氧气的比调节到6:1和25:1
之间的范围内。
2.按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，所述其余的加
热通过电加热或者燃烧过程实现。
3.按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，在使用再生式
热交换器的情况下获取用于加热新鲜空气所必需的热能。
4.按照权利要求1所述的膜分离法，其特征在于，
-通过真空吸走渗透侧的氧气，
-在环境压力下使用供给气体，并且
-通过机电式真空泵、机械真空泵或者蒸汽喷射泵实现真空产生。
5.按照权利要求1至2所述的膜分离法，其特征在于，调节空气
吞吐量，从而使废气中的氧气分压力不高于100mbar地超过渗透侧的
真空压力，然而优选低于20mbar地超过渗透侧的真空压力。
6.用于从新鲜空气中高能效地获取氧气的膜设备，其包括具有输
入端(11)和输出端(12)的壳体(1)、MIEC膜和真空泵(14)，
其特征在于，
-金属联接板(2)布置在包含真空密封的空心腔结构(13)的壳
体(1)内，单侧封闭的MIEC膜以气密性地置入的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫·克里格尔，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE