一种从含有元素氧和至少一种其它气体的原料气流中分离出具有被选择的氧浓度的氧产品气流的方法，上述方法包括用包含具有滞留侧和渗透侧的离子传送薄膜的离子传送组件从原料气流中分离氧，从而产生从薄膜流到渗透侧的超纯氧气流和滞留气流；以及将上述超纯氧气流与附加气流混合以生产具有被选择的氧浓度的氧产品气流。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种从混合气体原料流中分离氧以生产所需纯度的氧的装置和方法，具体地说，涉及一种利用固体电解质离子传送薄膜(Solid electohlyteion transport membrane)从空气中分离氧的装置和方法，以生产具有选择的纯度的氧。能迅速传送氧离子的固体电解质离子或离子—电子混合的导体用于空气分离是非常令人瞩目的。因此，用只传送氧离子的材料制成的薄膜用于渗透氧相对其它离子种类而言具有很大的选择性。由于氧产品本来就是纯净的，这种性质对生产氧而言特别有利。反之，也可用固体电解质离子传送材料从空气流中除去氧，从而可生产无氧的氮产品。空气是一种气体混合物，它可以含有变化的水蒸汽量，在海面上，按体积计，它的各组分比例大约如下氧(20.9％)，氮(78％)，氩(0.94％)和由其它微量气体组成的剩余组分。当用空气作为原料气体来用基本为固体电解质离子传送工艺时，原料空气流中的少量杂质(如氩、二氧化碳、水和微量碳氢化合物)保留在“氮”保留物中。因此，将只传送氧离子的固体电解质离子导体用于从气体混合物(如空气)中分离氧是具有吸引力的。由于这种能传送氧离子和电子的纯离子导体或混合导体材料对氧比对所有其它气体有许多选择，所以它们具有特殊吸引力。一个结论是用这种固体电解质离子传送分离器生产的氧是超高纯(UHP)的氧。然而，尤其在高压和高温下，超高纯氧很容易起反应，因此，对超高纯氧的传送(例如用泵传送)，热传递等的控制是非常昂贵的，而且常常需要使用特殊材料。此外，通常在大多数应用中只要求氧的纯度为90-99％，将纯度提高到UHP水平几乎没有任何好处，而控制UHP氧的难度却增大。在传统的非低温空气分离过程中，氧的浓度低，在浓度增加中氧被纯化，而且或者不需要产品或者不需稀释UHP氧。相反，用低温精馏方法生产的氧可以非常纯(纯度接近99.5％)，由于增加了UHP氧的活性，所以，常采用特殊材料和特殊工艺。而且，在低温过程中可以安全使用的材料与所处的氧浓度有关。当氧浓度增高时，可安全使用的材料只有少数几种特殊材料。在生产UHP氧和必须在高温下进行固体电解质离子传送过程中上述需求将更加苛刻，上述高温通常加大了氧和与接触的材料之间的反应速率。对低温精馏生产氧的过程曾进行了广泛的研究，以确定适用于含有高浓度氧的液体或气体的材料。与用固体电解质离子传送方法生产超高纯氧有关的研究表明反应能力对氧浓度和压力有很强的依赖性。当氧浓度或压力增加时，材料更易于氧化和燃烧(即迅速氧化)，几乎没有材料可安全地用于这种应用中。例如，图3中曲线示出了在氧浓度为80％、90％、99.7％的情况下，Haynes合金25号，一种具有强耐腐蚀性的钴基合金的室温点燃性能。从该组曲线可以看出，高氧浓度显著地促进了Haynes合金25号的燃烧。图4是一组表示直径为3.175mm(0.125英寸)的HASTELLOY合金C-22Tm、一种具有强耐腐蚀性的镍铬一钼合金棒材在室温下的火焰稳定性数据，在这种情况中燃烧仅发生在高氧浓度和高压条件下。遗憾的是，尽管从这些试验可搜集到上述信息，但几乎没有试验可在固体电解质离子传送装置被使用的高于600℃的温度范围进行。这种被提高的温度很可能使反应能力问题更为尖锐。显然，将纯氧的氧浓度减小到较低值可降低与氧接触的材料对氧化或燃烧的敏感性。目前正在开发两类固体电解质离子传送薄膜只引导离子通过薄膜的离子导体和引导离子和电子两者通过薄膜的混合导体。呈现上述混合传导特性的离子传送薄膜当受到不同的局部氧压作用时可使氧横穿薄膜而不需要提供象离子导体所需的那种电场或外加电极。如此处所使用的那样，除有其它说明外，短语“固体电解质离子导体”、“固体电解质离子传送系统”，或简单地将“固体电解质离子”或“离子传送薄膜”用来或者表示采用离子型系统的系统，或者表示混合导体型系统。在授权于Prasad等人的题为“Staged Electrolyte Membrane”的美国专利5547494号中比较详细地描述了固体电解质离子传送技术，因此该文献较全面地描述了现有技术。在不存在纯净流的情况下，携带氧气离开离子传送薄膜的“渗透”流是“纯净”氧。对于混合引导薄膜，供给滞留流体两者都必须处在高压下(或上述“渗透”流处在非常低的压力下)，以产生输送氧的驱动力。尽管这种未净化的薄膜用于从惰性气体流中除去大量的氧是很具吸引力的，但由于所施加的压力使氧回收受到限制。本专利技术人没有发现任何现有技术描述过用固体电解质离子传送工艺生产稀薄氧气。下列参考文献涉及到材料的抗氧化能力是压力和氧浓度的函数R、Zawierucha，K.McIlroy，and J.F.Million，Flammability of Selected HeatResistant Alloys in Oxygen Gas Mixtures，Proceeding of the 2ndInternational Conference On Heat-ResistantMaterials，Gatlinburg，Tennessee，September 1995，PP.97-103；和R.Zawierucha，R.F.Drnevich，D.E.White and K.McIlroy，Materials and SystemsConsiderations for Applications Involving Oxygen Enriched Atmospheres，Presented at the ASME Winter Annual Meeting，NewOrleans，Louisiana，December 1993。授权于Chen等人的题为“Process for Removing Oxygen and Nitrogen fromCrude Argon”的美国专利Re.34595号(美国专利5035726号的再公告)涉及用电驱动固体电解质薄膜从粗氩气流中除去低浓度氧。Chen等人估算出用于多级过程的一些实例所需的电功率，同时也提到通过维持供料侧的氧压可使混合导体薄膜工作的情况。Chen等人还指出从电驱动离子膜的渗透侧流出的氧或者可以作为纯氧流抽取，或者可以与合适的“冲洗”气体(如氮)混合。授权于Mazanec等人的题为“Process for Separating Oxygen from anOxygen-Containing Gas by Using a Bi-Containing Mixed Metal OxideMembrane”的美国专利5160713号公开了一种采用含铋的混合金属氧化物薄膜的分离氧的工艺，这种工艺通常将分离出的氧收集起来以便回收，或者再与一种耗氧物质反应。显然这种贫氧的滞留物将被抛弃。授权于Mazanec等人的题为“Solid Multi-ComponentMembranes，Electrochemical Reactor Components，Electrochemical Reactorsand use of Memberanes，Reactor Components，and Reactor for OxidationReactions”的美国专利5306411本文档来自技高网...
【技术保护点】
从含有元素氧和至少一种其它气体的原料气流中分离出具有被选择氧浓度的氧产品气流的方法，该方法包括：用包含具有滞留侧和渗透侧的离子传送薄膜的离子传送组件从原料气流中分离氧，从而产生从薄膜流到渗透侧的超纯氧气流和滞留气流；和将上述超纯氧气 流与附加气流混合，以生产具有被选择的氧浓度的氧产品气流。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：CF高茨曼，R普拉萨德，
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]
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