固体电解离子导电体反应器制造技术

一种离子输送反应器和使用该反应器的工艺，具有至少一个离子输送隔膜，该隔膜具有一滞留侧和一渗透侧，以便当气流沿滞留侧流动时，从原料气流中抽取氧气。沿离子输送管使反应气流流动以与输送通过该处的氧气反应。当隔膜温度被保持在其工作范围内时，热量被送至流过离子输送反应器的液流。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【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用于气体分离系统的固体电解离子导电体反应器。本专利技术还涉及了在气体分离系统中的固体电解离子导电体的加热器／反应器和氧气分离器／反应器的结合。本专利技术是在美国政府的支持下，借助National Institute OfStandards and Technolory授予的Cooperative AgreementNO．70NANB5H1065下完成的。因此，美国政府具有使用本专利技术的权利。名为“综合固体电解离子导电体反应器-冷却器”的U．S．SerialNO．在这里被参考使用。多年以来，非低温氧气分离装置，如有机聚合物隔膜系统已被用以从空气和其它气体的混合物中分离指定气体。空气是一种包括变量水蒸气的气体混合物，且在海面上具有按体积计算的大致以下成份氧气(20．9％)，氮气(78％)，氩气(0．94％)，及均衡包括其它微量气体。但是，利用某些无机氧化物能够制出完全不同的隔膜。这些固体电解隔膜可由无机氧化物，通常由具有钙或钇稳定锆(calcium-oryttrium=stabilizedzircomium)萤石或钙钛矿结构的类似氧化物制成。在高温下，这些材料具有活动氧离子空位。由于这些材料仅允许氧气透过，所以这些材料能够作为对氧气具有无限选择性的隔膜，因此在新的空气分离工艺中应被非常重视。虽然作为气体分离隔膜的这些氧化陶瓷材料的势能很大，但是在其使用中仍具有某些问题。最大的明显困难在于所有已知的氧化陶瓷材料仅在高温下才能表现出合适的氧离子传导率。这些材料必须在500℃以上，通常在700℃-1200℃的范围内才能被良好地使用。尽管许多研究表明这些材料在较低温度下也能良好工作，但仍存在局限性。固体电解离子导电体技术已在Prasad等、名称为分级电解隔膜(Staged ElectrolyteMembrane)的美国专利No．5，547，494中作了更详细地描述，因此该专利可作为能够更详细描述现有技术状态的技术而被使用。对于利用工艺来说，该利用工艺在无需外部循环情况下，利用材料输送氧离子的能力及通过固体电解隔膜的电子回流，混合双向固体离子和电子导体材料的开发已引起了技术人员的兴趣。固体电解分离工艺通过化学势能而被驱动，该化学势能由阴极上含氧气体的局部氧气压力和阳极反应环境内的局部氧气压力间的比例产生的。目前已有了许多利用这一效果的系统实施例。这些实施例包括从惰性气体，如氩气和氮气中的除去剩余氧气(脱氧工艺)；在混合气涡轮循环中的氧气，氮气，氩气及二氧化碳副产品；用于制造氮气，氧气及二氧化碳的系统；用于化学氧化工艺，如煤的气化形成(例如，British Petroleum Electropox方法的部分氧化反应器；和燃烧器的使用，其中在阳极端的固体电解离子导电体反应器表面上会发生氧化反应的事实除去氮气，从而在具有适合加热的情况下，能够限制温度的升高及NOx的形成。为了符合实际要求，以上任意工艺均要求反应器，该反应器能够以有效的方式完成指定功效。这一专利技术特别涉及固体电解反应器和有效操作所要求的固体电解反应器组合的基本设计原则。由于在这些装置中，通过氧化反应，在离子输送隔膜的阳极上会产生热量，所以重要的是控制热量的输送以使固体电解离子导电体尽可能均匀地保持在一温度上。如果固体电解离子导电体的区段在过于低的温度下工作，那么这些区段上的氧气流则被减小；如果所述区段在过高的温度下工作，那么这些区段的使用工作寿命可能会大大降低。此外，设计必须能保证氧气的有效质量交换及分别向阴极和阳极侧的供料，并以根据所使用元件材料的稳定特性而使阳极面上的氧气局部压力保持在大于10-14-10-16大气压的方式平衡氧气流动和反应动力。由于由其网格结构所造成的氧气损失，所以大量已知材料往往会在非常低的氧气压力下造成严重的品质下降。本专利技术的第二个目标在于确定能提供切实可行的解决方法的结构，以便使固体电解反应器具有其它功能，如加热第三蒸汽或利用单一设备中的第三固体电解隔膜从阴极侧气流中分离出氧气。上述功能的结合必须以不妨碍以往对热量控制和质量交换的规定要求的方式来完成。在使用固体电解离子导电体技术的情况下的改进已在技术文献中有所披露。例如，Mazanc等、名称为固体多组分隔膜，电化学反应器组件，电化学反应器及隔膜的使用，反应器组件及用于用于氧化反应的反应器，美国专利5，306，411，涉及了用于使含氧气体与耗氧气体反应的电化学反应器，并披露了一壳体管道式反应器，在该反应器中含氧气体在固体电解隔膜的一侧流动，而耗氧气体则在另一侧流动。但是，Mazanc等的专利并未涉及在理想均匀温度下保持隔膜表面的热量控制，实现有效质量交换的流体动力学，或使反应动力氧离子传导率平衡以在材料温度下保持合适的氧气分压。Westinghouse已研制了具有管形结构的固体氧化燃料电池，如PowerGen 1995-Americas Conference，于Anaheim，加利福尼压，在1995年十二月5-7，作者为Frank P．Bvec及Walter G．Parker，DistributedPower Applications的SureCELLTm Integrated Solid Oxide Fuei CellPower Plants描述的。该出版物涉及管形固体氧化燃料系统，该系统具有某些与本专利技术几何结构表面相似的几何结构，但这些几何结构未涉及本专利技术中固体电解反应器完成的动能。Bvec和Parker披露了一具有封闭端部的燃料电池部件，其中空气完全由同轴内管被送至固体电解隔膜的内阴极侧，从而在进入氧化输送发生之处的阴极通道之前，空气会被预热。但是，Bvec和Parker的文献并未提出热控制和流动力学的问题。此外，与本专利技术不同，Westinghouse设备不是用于产生热量或生产理想阳极侧制品的反应器，而是用于产生电能的燃料电池，从而不能使用混合或双向导体作为电解质。此外，Westinghouse固体氧化燃料电池(见图4)也为低压力设备，而本专利技术的反应器通常至少在固体电解质隔膜的一侧要经受高压。管形固态隔膜组件已在Dyer等的美国专利NO．5，599，383中披露，该组件具有多个管形隔膜部件，每一部件均具有无槽式多孔支撑和在其上的重介质混合导氧层。每一部件的多孔载体均与一个或多个歧管或导管流通相连，以排出已经透过重介质层和多孔支撑的氧气。因此，本专利技术的目的在于提供一种用于气体分流系统的有效离子输送反应器。本专利技术的另一目的在于使离子输送反应器与加热器结合以制成用于气体分离系统的加热器／反应器。本专利技术的另一目的在于使氧气分离器与离子输送反应器结合以制成用于气体分离系统的氧气分离器／反应器。本专利技术的另一个目的是通过用反应气流清扫离子输送膜的渗透侧，来增加设计效率。本专利技术的另一目的在于通过根据材料，输入率和气体流动几何形状的选择而产生的反应器内的质量交换和热量交换来增加设计效率。本专利技术包括一离子输送反应器及利用上述装置的工艺以使反应气流与从输入气流中产生的氧气发生反应，上述输入气流包括元素氧和至少一种其它气体。反应器包括具有一滞留侧和一渗透侧的离子输送隔膜。所述工艺包括使输入气流在离子输送隔膜的滞留侧流动，且使反应气流在离子输送隔膜的渗透侧流动。由与透过离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使反应气流与由原料气流发出的氧气反应的工艺，其中所述原料气流包括元素氧和至少一种其它气体，该工艺使用了一种离子输送反应器，该反应器包括具有一滞留侧和一渗透侧的离子输送隔膜，该工艺包括：（ａ）使输入气流在离子输送隔膜的滞留侧流动； （ｂ）使反应气流在离子输送隔膜的渗透侧流动，其中由与透过离子输送隔膜的气流反应的产生的热量被送至输入气流以加热输入气流，同时使离子输送隔膜的温度保持在离子输送隔膜的工作范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CF高茨曼，R普拉沙德，NR克斯卡，VE贝尔斯滕，BA范哈瑟尔，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]