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CN1219502A - 蒸汽吹扫固体电解质离子导体制备氧的方法 - Google Patents

蒸汽吹扫固体电解质离子导体制备氧的方法 Download PDF

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CN1219502A
CN1219502A CN98122493A CN98122493A CN1219502A CN 1219502 A CN1219502 A CN 1219502A CN 98122493 A CN98122493 A CN 98122493A CN 98122493 A CN98122493 A CN 98122493A CN 1219502 A CN1219502 A CN 1219502A
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Abstract

一种加压氧气流的制备方法,通过压缩和加热含元素氧的进料气流,然后采用一种离子传递组件将加热进料气流分离成在渗透侧的贫氧气流和在截留侧的含氧气流。采用含水蒸汽的气流吹扫离子传递膜的渗透侧,以产生一种含氧和蒸汽的加压气流,然后将该气流分离成含饱和水蒸汽的加压氧气流和残留水流。

Description

蒸汽吹扫固体电解质离子导体制备氧的方法
本发明涉及到气体分离系统中的固体电解质离子导体系统的使用。本发明特别涉及到采用加压蒸汽吹扫固体电解质离子导电膜的渗透侧以提高该方法的效率，并制备一种氧和蒸汽气流，该气流中氧和蒸汽易于分离，而得到纯氧产品。
已经采用非低温大量氧分离系统，例如，有机聚合物膜系统，从空气和其它气体混合物中分离选定的气体。空气是一种包含不定量水蒸汽的气体混合物，并且在海平面上，按体积计算具有如下的近似组成：氧气(20.9％)，氮气(78％)，氩气(0.94％)，剩余的是痕量气体。然而，可以由一些无机氧化物制备一种完全不同类型的膜。这些固体电解质膜由无机氧化物制成，其特征是钙-或者钇-稳定化的锆和具有荧石或钙钛矿结构的类似氧化物。
虽然关于这些氧化物陶瓷材料用做气体分离膜的潜力很大，但在它们的使用中仍然存在一些问题。最明显的难题是所有已知的氧化物陶瓷材料仅仅在高温时显示出明显的氧离子传导性。它们通常在500℃以上运行良好，一般在600℃至900℃范围内。尽管进行了许多在较低温度下寻找运行良好的材料的研究，这个缺陷却依然存在。固体电解质离子导体在Prasad等人的题为“分级电解质膜”的美国专利No.5,547,494中有更详细的描述，该参考文献在此引入作为参考，以更完整地说明该技术情况。
采用基本的离子传递(ion transport)方法从进料气流中除去几乎全部的氧以制备一种氮产品气流是相对容易的，尤其是如果能够以一种无氧气流吹扫离子传递膜渗透侧。然而，用这种基本方法有效地回收氧作产品是很困难的。例如，在大气压下如果从渗透侧气流分离纯氧，为了通过离子传递膜连续分离氧，进料气流压力必须是最好超过5个大气压。因而，在截留侧气流或者废氮气流消耗了大部分压缩能，除非那种气流代表一种需要加压的产品。
另一种可选择的方法包括在离子传递膜渗透侧使用真空泵，以便保持渗透过程中驱动力不污染氧产品气流。然而，为运转真空泵需要相当可观的费用。
在技术文献中已经介绍了采用固体电解质离子导体空气分离技术领域中的进展。美国专利No.5,306,411(Mazanec等人)描述了使惰性稀释剂例如蒸汽与轻质烃进料气混合，以制备合成气，或者与不饱和烃混合作为来自离子传递膜的阳极侧的渗透流出气。一种含氧气流经离子传递膜的截留侧或者阴极侧；从截留区排出的贫氧气显然被废弃。在美国专利No.5,160,713中Mazanec等人进一步公开了在渗透区通过与引入的作为一种氧消耗基质的氢，与经膜传递的氧反应，能够产生水蒸汽。
美国专利No.5,565,017(Kang等人)涉及到一种使离子传递膜与燃气轮机成一体化的装置，以便在截留气流受热和添加蒸汽之后从截留气流回收能量。美国专利No.5,562,754(Kang等人)声称可以以蒸汽清扫离子传递膜渗透侧。含氧气流在直接火焰燃烧室中受热，通过离子传递膜的截留区，接着被导入燃气轮机以产生能量。这种非渗透气流然后作为废气被废弃。
本发明的一个目的是通过采用一种用于离子传递分离器组件的离子传递膜的渗透侧或者阳极侧的蒸汽吹扫气流，不需要高压进料气流，便可有效地回收氧，并在离子传递膜的截留侧任选地制备氮。
本发明进一步的目的是通过供应升压蒸汽吹扫气流，并将由此产生的升压渗透气流中的水冷凝下来，不需要氧压缩机就可在升压下回收氧。
本发明的另一个目的是能将低水平的废热用作为一种升高蒸汽吹扫气流温度的能源。
本发明的另一个目的是在不能得到废热的情况下，利用渗透气流中水的冷凝热作为能源，方法是通过升高压力并因此适当提高了渗透气流的冷凝温度，至高于沸腾吹扫气流的冷凝温度。
本发明包括从含元素氧的进料气流制备至少一种含有氧和蒸汽的加压气流的方法。在该方法中，将进料气流压缩，然后加热此压缩过的进料气流。采用包括一种具有渗透侧和截留侧的离子传递膜的离子传递组件，将加热过的进料气流分离成在截留侧的贫氧气流和在渗透侧的含氧气流，并且采用优选压力大约为30至500磅/平方英寸，更优选地是40至250磅/平方英寸的含蒸汽气流吹扫离子传递膜的渗透侧，以制备含氧和蒸汽的加压气流。
在本发明一个优选的实施例中，通过将水冷凝出来，把含氧和蒸汽气流分离成含饱和蒸汽的氧产品气流和残留的水流。在一些优选的实施例中，残留的水流的分离包括在热交换过程中以另一流体物流冷凝包含在含氧和蒸汽的气流内的至少一部分水蒸汽，并且将含氧和蒸汽的气流冷却至其露点附近，然后在那里的蒸汽凝结之前将其压缩，接着该含氧和蒸汽的气流又与水流和/或水蒸汽流进行热交换，热交换后变为含蒸汽的气流。短语“其露点附近”优选地指的是与含氧和蒸汽气流中水蒸汽的露点相差不超过50℃，更优选地是不超过30℃。进料气流的压力在大约1atm至大约5atm之间，更优选地在大约1.5atm至大约3atm之间。在本发明另一优选的实施例中，采用来自一种外部过程的热能加热水流，以产生含蒸汽的气流，并且将加压氧产品气流导入在那里使用的外部过程中。采用一种聚合膜干燥器系统或者一种变压和/或变温吸附干燥器系统，从含饱和水蒸汽的氧产品气流中分离氧产品气流。在本发明的另一个优选的实施例中，含氧和水蒸汽的气流经过与水流或者水蒸汽气流进行热交换，以过度加热用于吹扫离子传递膜渗透侧的含蒸汽气流。在本发明另一优选的实施例中，低水平的废热流经过与水流或者水蒸汽气流进行热交换，以产生用于吹扫离子传递膜渗透侧的含蒸汽气流。用于吹扫离子传递膜渗透侧的含蒸汽气流是一种高压气流，因此制备出高压含氧和水蒸汽的气流。
本发明也以从含元素氧的进料气流制备至少一种含有氧和蒸汽的氧气流的方法为特征。将该进料气流压缩，然后优选采用离子传递反应器-加热器加热该加压进料气流。然后采用包括具有渗透侧和截留侧的离子传递膜的离子传递组件，将该加热的进料气流分离成在截留侧的贫氧气流和在渗透侧的氧气流，并且采用含水蒸汽的气流吹扫离子传递膜的渗透侧以制备含氧和蒸汽的气流。
从下列对本发明优选实施例和附图的描述中，本领域的技术人员对本发明的其它的目的、特征和优点将更加了解，其中：
图1是说明本发明离子传递膜渗透侧蒸汽吹扫气流的发生和使用的示意图；
图2是说明在此方法所提供的配置中采用离子传递反应器-供热器所需的输入热量的示意图。
通过采用加压的过热蒸汽吹扫离子传递膜渗透侧，可完成本发明。随着足够的蒸汽的流动，渗透气流中的氧分压降低到一个低数值，这样当进料气流处于低压，例如，甚至接近大气压时允许氧渗透发生。通过冷却渗透侧气流，其中的水可被冷凝和再循环，留下供回收或者直接使用的氧。该冷却的氧气流包括一些残留的水蒸汽但是除此之外很纯。该氧气流可直接用做产品，或者可例如用聚合膜或者变压吸附(PSA)和/或变温吸附(TSA)后置纯化器进一步干燥。该氧产品气流处在过热蒸汽压力下，能够将此压力调整至一低或高水平，这取决于产品的需要。如果蒸汽吹扫是处在较高压力下的，这一点通过用泵给进料水流加压是容易做到的，则通过简单地冷凝在渗透气流中的水就有可能回收较高压力的氧。氮优选以中或高压水平的产品或副产品得到。
由于蒸汽的产生是耗费能量的，如果可行的话，建立能利用低水平废热的方法是很重要的。另一方面，通过适度地提高渗透气流的压力，从渗透气流的冷凝水中可回收热量，然后升高其冷凝温度至进料水流的沸腾温度之上。优选地，将渗透气流冷却至其露点附近，然后在其中的蒸汽冷凝之前将其压缩，并且渗透气流经过与水流或者水蒸汽气流进行热交换，变为用于吹扫膜渗透侧的蒸汽流。
如上所述，当膜两边的氧分压存在差别时，离子传递膜将传递氧。同聚合膜比较，相对于氮，离子传递膜对氧具有一较高的流量和无限的分离系数。本发明中使用的离子传递组件的类型是四通装置，优选地以逆流方式操作，简言之，吹扫气流面对进料气流的方向流动，进入离子传递膜渗透侧。尽管图1所示的方法以逆流流动构型操作，本发明对其它流动构型，例如，平行流动和横向流动构型，是同样适用的。
本发明的一个实施例由图1的示意图说明。在工作期间，含氧进料气流1(一般是空气)在压缩机或者鼓风机2中压缩以制备加压气流41。在热交换器3中，面对截留气流8和可以选择的气流23，加压气流41受到加热产生出加热气流42。在加热器4中加热气流42进一步受到加热产生出热气流5。
同时，再循环水流32和由泵44泵入的补偿水流34，合并以得到加压水流36。在热交换器10中，面对物流28，水流36受到加热，得到热水流37。然后在沸腾器-冷凝器11中，热水流37被转换成蒸汽气流38。例如从玻璃或钢材制备过程中得到的，可以选择的低水平废热气流45，也可被用做升高热水流37温度的能源。气流45，在释放出热量之后，以废气流46的形态排出。然后在过热炉12中蒸汽气流38被加热至一较高的温度，产生出过热蒸汽气流39，在加热器13中该气流进一步加热，获得压强优选为至少30磅/平方英寸的蒸汽吹扫气流14。
当将热气流5引入包含具有截留侧7a和渗透侧7b的离子传递膜7的离子传递组件6时，蒸汽吹扫气流14被用于吹扫离子传递膜7的渗透侧7b，产生出截留气流8和渗透气流15。吹扫气的存在减小了在离子传递膜7的渗透侧7b的氧分压，因此即使截留侧7a进料气压较低时也能使氧有效传递。因为加压蒸汽吹扫气流14和已经渗透过离子传递膜7的氧混合并且将其稀释，所以自离子传递组件6出现的加压渗透气流15既含蒸汽又含氧，并且气压大致上与气流14的一样。接着通过热交换器冷却渗透气流15，该渗透气流不是用作通过过热器12的气流22产生气流25，就是用作经过热交换器3的任选气流23，产生任选气流24。气流25和/或可以选择的气流24变为气流26，任选由压缩机20将气流26压缩以制成流体气流27。
压缩机20使流体气流27在较高压力和温度下冷凝，因此给沸腾热水流37供热，产生蒸汽气流38。如上所述，使气流27通过沸腾器-冷凝器11的沸腾管16，将热水流37转变成蒸汽，接着排出液-气混合物流28。如上所述，在热交换器10中，面对水流36，液-气混合物流28进一步冷却，以得到混合物流29。在冷却器-冷凝器17中冷却混合物流29，混合物流29中的大部分残留水蒸汽在这里冷凝，接着得到氧和水流30。如上所述，在分离器18中除去再循环水流32，并且将其与补充水流34混合，剩余的气流19便是氧产品。尽管冷却器-冷凝器17除去了混合物流29中的绝大部分残留水蒸汽，但气流19仍被水蒸汽饱和，除此之外是纯氧。采用干燥器50，例如一种聚合膜或者吸附系统，能从氧产品气流19中轻易地除去残留的水蒸汽52，产生出一种充分干燥的氧产品气流54。
气流19可通过系统外部，由常规手段例如聚合膜干燥器、变压吸附(PSA)干燥器和/或变温吸附(TSA)干燥器进行干燥。然而，对于可单独应用的方法，联用压缩机以在其进入沸腾器管16之前轻微地压缩渗透流26，这是合乎需要的。这允许气流26中的大部分水蒸汽在锅炉-冷凝器11中发生冷凝，此沸腾器-冷凝器提供使水沸腾的热量，并且为吹扫气流38制备蒸汽。这极大地提高了吹扫-渗透循环的热效率，并且减小了吹扫加热器13上的负荷。
优选地，如果低水平废热45是可得到的，就能取消压缩机20并且由此简化设备。在这种情况下，“自由”的低水平废热能够提供沸腾能和回复给冷却水的汽凝热。
图2表示的是例如通过图1的加热器4，怎样采用离子传递反应器-加热器输入所需要的热量示意图。在流程图的几个位置上采用传统的或离子传递燃烧炉、火焰或者电加热器、或者离子传递反应器-加热器，提供所需的热量。
在操作期间，含元素氧的进料气流100经过反应器-加热器组件106的截留部分，经热交换器后变成热进料气流112。反应器-加热器组件106包括具有截留侧110a和渗透侧110b的离子传递膜110。热气流112进入离子传递传递组件116，该组件包括具有截留侧120a和渗透侧120b的离子渗透膜120。以蒸汽气流122吹扫离子传递膜120的渗透侧120b，该气流以预定的压力从外部来源得到，并且在此流程图的配置中，以相对于气流112平行流动方式，产生出第一截留气流118和含氧和蒸汽的渗透气流124。
第一截留气流118进入反应器-加热器组件106，并且以反应性气流126吹扫离子传递膜110的渗透侧110b，产生出第二截留气流146和渗透气流130，渗透气流130中包括二氧化碳和水蒸汽。在冷却器136，渗透气流130冷却产生出气流138。气流138流经分离器140，产生出回收做副产品的二氧化碳气流142和水流144。如果并不想回收二氧化碳，就可抛弃渗透气流130。序列号为No.08/848,204,1997年4月29日提交的美国申请公开了关于合适的反应器-加热器的详细说明，此文件在这里一并收入作为参考。
混合的导电固体-氧化物电解质对将空气分离成氧和氮(加上氩)产品是有吸引力的。然而，设计实用并有效的方法，尤其对于氧，是困难的。如果要在大气压下使氧产品从渗透气流中分离，那么为了驱动氧通过膜，进料气流必须超过5个大气压。当从高压气流除去氧时，压力必须依然较高，以保持驱动力。如果在高压下不需要截留(氮)气流作为产品，并且其不供给回收能量，那么将会损失极大部分的压缩能，因而该方法将会是无效和不实际的。
对于单独制备纯度范围大约为90％至近100％的氮产品而言，该离子传递过程可以通过如下方法强化：即以该产品的一部分，或者以另一种气流即贫氧气流，或者以能与氧反应的反应性气体吹扫栅栏(thebarrier)的渗透侧，以减少离子传递膜渗透侧的氧分压。然而，回收纯氧作为产品时不能够采用这些方法。
问题在于要为使用混合的导电固体电解质膜从空气中制备氧设计实用和经济的方法，即使进料气流在相对较低的压力下操作时。
利用固体电解质对氧传递的无限选择性的优点，以前主要在燃料电池、传感器和从空气中制备少量的纯氧中使用固体电解质。由施加足够的电压以减小截留侧氧的活度至非常低，也可使用电驱动固体电解质膜从惰性气体中除去痕量氧。在从空气制备大量的氧时还没有采用固体电解质。
对制备氧气而言，以前建议的最实用的方法包括一种完整的能量产生的循环，其中加至燃气轮机的加压进料空气中的部分氧采用离子传递分离器分离。该方案的缺陷是它涉及能量的副产(co-productionofpower)，并且最适于大规模的氧制备。以前建议的另一方法包括为保持渗透方法的驱动力，用真空泵抽吸离子传递膜渗透侧。该方法的缺陷在于为制备纯氧需要特殊的设备和方法以及与大型真空泵吸设备相关的高费用。
本发明的方法关键的优点在于依靠离子传递技术提供一种经济的氧气制备方法而无能量副产。这使该方法能够在非常宽的生产型范围(~100吨/天至~1000吨/天)内使用，大大地扩展了此技术的应用范围。此外，该方法亦允许有氮气副产，如果氧气和氮气都需要，这一点就使得该方法更具有吸引力。
如果需要，本发明，不像前面的技术方法，允许在相对高的压力下制备氧，而不用压缩纯氧气流。本发明的离子传递组件能够在低的压差下运行，并且因此能够减小压缩能，除非截留气流在高压下有用。此外，一台空气进料鼓风机于对于实现本发明的目的是足够的，因而免去了高费用压缩机的需求。
本发明避免了高温管道输送或者处理纯氧的需要；以热的纯氧操作常常存在严重的安全危险。因此，通过本发明和权利要求的方法，可以避免对于用来处理高温纯氧的特殊材料和方法的需要，该方法应该比典型常用的方法更安全。
本发明的方法在广泛的条件都能使用，在低压或者高压下制备氧气、氮气，或者两种气流均可。本发明的方法可部分由低的含热量驱动，并且该方法因此能够与其它产生热量的方法一起联用，包括在产生热量中利用产品氧的许多方法。当在高进料压力下操作时，本发明能够与燃气轮机或其它用于从高压产品(例如氮气)或者废热流中产生能量的装置联用。
离子传递组件运行参数的典型范围如下所示：
温度：400℃至1000℃，优选600℃至900℃的范围。
压力：吹扫侧压力是1大气压至10大气压。进料侧压力是1大气压至30大气压，并且优选1.25大气压至20大气压。
吹扫比(吹扫流速对进料流速的比率)：典型为0.05至5，优选0.2至3。
离子传递膜的氧离子传导性：典型为0.01-100S/cm(1S=1/0hm)。
离子传递膜的厚度：以支撑在多孔基质上的厚膜，或薄的膜的形式使用离子传递膜。每层离子传递膜的厚度(t)典型为小于5000微米，优选小于1000微米，最优选小于100微米。
构型：离子传递膜元件典型地可以是管状的或者平面形的。
表Ⅰ提供了适于分离氧气的离子传递材料的实例。
1．     表1：材料组成(La1-xSrx)(Co1-yFey)03-δ(0≤x≤1,0≤y≤1,δ由化学计量决定)
    2． SrMnO3-δSrMn1-xCoxO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1,δ由化学计量决定)Sr1-xNaxMnO3-δ
    3． BaFe0.5Co0.5YO3SrCeO3YBa2Cu3O7-β(0≤β≤1,β由化学计量决定)
    4． La0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6；Pr0.2Ba0.8Co0.8Fe0.2O2.6
    5． AxA’x’A”x”ByB’y’B”y”O3-z(x,x’,x”,y,y’,y”均在0-1范围内)其中：A,A’,A”=选自第1、2、3族和f-区镧系元素B,B’,B”=选自d-区过渡金属
    6． (a)Co-La-Bi型：氧化钴    15-75摩尔％氧化镧    13-45摩尔％氧化铋    17-50摩尔％(b)Co-Sr-Ce型：氧化钴    15-40摩尔％氧化锶    40-55摩尔％氧化铈    15-40摩尔％(c)Co-Sr-Bi型：氧化钴    10-40摩尔％氧化锶    5-50摩尔％氧化铋    35-70摩尔％(d)Co-La-Ce型：氧化钴    10-40摩尔％氧化镧    10-40摩尔％氧化铈    30-70摩尔％(e)Co-La-Sr-Bi 氧化钴    15-70摩尔％型：氧化镧    1-40摩尔％氧化锶    1-40摩尔％氧化铋    25-50摩尔％
(f)Co-La-Sr-Ce氧化钴    10-40摩尔％型：氧化镧    1-35摩尔％氧化锶    1-35摩尔％氧化铈    0-70摩尔％
    7． Bi2-x-yM’xMyO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1,δ由化学计量决定)其中：M’=Er,Y,Tm,Yb,Tb,Lu,Nd,Sm,Dy,Sr,Hf,Th,Ta,Nb,Pb,Sn,In,Ca,Sr,La和它们的混合物M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu和它们的混合物
    8． BaCe1-xGdxO3-x/2其中，x等于0至约1。
    9． 美国专利5,306,411(Maznec等人)公开了通式为AsA’tBuB’vB”wOx族中的一种材料，其组成如下：A表示一种镧系元素或Y，或者它们的混合物；A’表示一种碱土金属或者它们的混合物；B表示Fe；B’表示Cr或Ti，或者它们的混合物；B”表示Mn,Co,V,Ni或Cu，或者它们的混合物；并且s,t,u,v,w，和x是如下数字：s/t等于大约0.01至大约100；u等于大约0.01至大约1；v等于0至大约1；w等于0至大约1；x等于满足该通式中A,A’,B,B’,B”化合价平衡的数字；并且0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1
 10． La1-xSrxCu1-yMyO3-δ族材料的一种，其中：M表示Fe或Co；x等于0至大约1；y等于0至大约1；δ等于满足该通式中La,Sr,Cu和M化学价平衡的数字。
11． Ce1-xAxO2-δ族材料的一种，其中：A表示一种镧系元素，Ru，或Y；或者它们的混合物；x等于0至大约1；δ等于满足该通式中Ce和A化学价平衡的数字。
12． Sr1-xBixFeO3-δ族材料的一种，其中；x等于0至大约1；δ等于满足该通式中Sr,Bi和Fe化学价平衡的数字。
13． SrxFeyCozOw族材料的一种，其中：x等于0至大约1；y等于0至大约1；z等于0至大约1；w等于满足该通式中Sr,Fe和Co化学价平衡的数字。
14． 二元相混合导体(电子的/离子的)：(Pd)0.5/(YSZ)0.5(Pt)0.5/(YSZ)0.5(B-MgLaCrOx)0.5(YSZ)0.5(In90％Pt10％)0.6/(YSZ)0.5(In90％Pt10％)0.5/(YSZ)0.5(In95％Pt2.5％Zr2.5％)0.5/(YSZ)0.51-13说明的任何一种材料，向其中一种添加高温金属相(例如，Pd,Pt,Ag,Au,Ti,Ta,W)
实施例
通过如下的实施例描述本发明的一些特点。按氧气的预计产量是200,000SCFH/小时进行了计算。除不存在任选的侧气流之外，这些实施例中所用的方法与表1所示的一样。对于这些实施例，采用的离子传递膜的性能是：
有效膜厚度        20μm
氧离子传导性      0.5S/cm
工作温度(等温的)  800℃
基质的多孔性      40％
已经采用计算模型测定图1所示方法的操作条件、需要的膜面积，和驱动该方法所需要的动力以及热能。实施例1：适合于200,000 SCFH的低压氧气的制备。
在论述之后的表中总结了计算结果。表Ⅱ-A表示的是操作条件，表Ⅱ-B给出的是计算出的系统必要条件。
实施例1中，进料气流压力较低(20磅/平方英寸)，因此进料鼓风机的功率不高。进料气流中的仅仅一小部分被回收作为产品，但是由于浪费的压缩能并不大，对于整个方法的效率这就无关紧要。没有进行使实施例1的操作条件最优化的尝试，而只是打算作为对基本过程的说明。应该注意的是，由于吹扫气流是处于低压(15磅/平方英寸)的，这就使得可以利用便宜的、低压的沸腾器-冷凝器。此外，采用渗透气流鼓风机以使渗透气流的气压提高至20磅/平方英寸，这种情况容许部分水蒸汽面对沸腾的水被冷凝下来。在20磅/平方英寸下回收氧产品气流。再循环的水在与补充水的气流混合之前，其压力从20磅/平方英寸降至15磅/平方英寸。
可以看到，实施例1中的压缩能在进料气流鼓风机和渗透气流鼓风机之间，几乎是被平均分配的。如果从一种外部来源能得到低水平热，就能省去渗透气流鼓风机，并且实施例1中的压缩能的需求能够缩减47％。
                   表Ⅱ-A气流       压力    温度    流速    组成(psia)    ℃    (MMSCFH)(mole％)
                                  O2   N2 H2O
进料气流1  14.7    25     2.81    21    79    0
气流5      20      800    2.81    21    79    0
截留气流8  20      800    2.61    15    85    0
吹扫气流14 15      800    1.41    0.1    0    99.9
渗透气流15 15      800    1.61    12.5   0    87.5
产品氧     20      52.5   0.2     99.5   0    0.5气流19
                 表Ⅱ-B离子传递膜7的面积(m2)              851
进料鼓风机2的功率(kW)         966
渗透鼓风机20的功率(kW)        850
总功率(kW)                         1,816
进料加热器4(百万BTU/hr)       9.9
吹扫加热器13(百万BTU/hr)      1.1
总热量(百万BTU/hr)                  11
冷却器冷凝器17冷却(百万BTU/hr)9.4
实施例2：适合于200,000 SCFH中等压力氧气和820,000 SCFH高压、98％纯度的氮气的制备。
实施例2考虑了氧气和氮气两种产品的制备。表Ⅲ-A表示的是操作条件，表Ⅲ-B给出的是计算出的系统需求。
实施例2中，由于两种产品在高压下传送，能量需求比实施例1所示的要高得多，但热量需求较低。然而，因为该压缩机两端的压力差要比实施例1的小得多，所以渗透鼓风机的能量相对较低。热量整合能够减小13％的压缩功率，还能取消对渗透鼓风机的需要。如同实施例1，没有进行使操作条件最优化的尝试。
实施例2中，采用渗透气流压缩机20来提高渗透气流26的压力至55磅/平方英寸，这就允许部分蒸汽面对沸腾的水冷凝。在55磅/平方英寸下回收产品氧气流19。再循环水流32在与补充水流34混合之前，其压力从55磅/平方英寸降至45磅/平方英寸。
实施例2中所列的操作条件相应于该方法正常操作下的稳定状态。对于-种实际的过程，为启动该过程，必须给出一些关系，因为有可能不需要使离子传递膜7与液态水接触。当启动热离子传递组件6到其稳态操作温度时，可以采用一些干燥的截留气流8做吹扫气流，代替此时不能够得到的蒸汽。通过将吹扫加热器13的输出直接分流到渗透气流15和过热器12的顶端，可使吹扫-渗透环路闭合。在蒸汽压力和温度已经达到合适的工作水平之后，可将该流程转变成符合图1的流程。关闭加热器4和13同时，由颠倒该次序可实现变冷。
                  表Ⅲ-A气流       压力   温度   流速    组成(psia)  ℃   (MMSCFH)(mole％)O2  N2  H2O进料气流1  14.7   25    1.02     21    79    0
气流5      75    800    1.02     21    79    0
截留气流8  75    800    0.82      2    98    0
吹扫气流14 45    800    1.53    0.1    0  99.9
渗透气流15 45    800    1.73   11.5    0  88.5
产品氧     55   30.5    0.2    99.5    0   0.5气流19
               表Ⅲ-B离子传递膜7的面积(m2)                  865
进料鼓风机2的功率(kW)         2,315渗透鼓风机20的功率(kW)          352总功率(kW)                              2,667
进料加热器4(百万BTU/hr)         4.4吹扫加热器13(百万BTU/hr)        1.8总热量(百万BTU/hr)                      5.9
冷却器冷凝器17的冷却量(百万BTU/hr)8.2
在该构型中，指明蒸汽的存在对于离子传递模件的分离至关紧要是重要的。接着，由简单的冷凝能够容易地从氧气中分离蒸汽。为方便起见，这里讨论的是一种易于分离的吹扫气体、蒸汽。很明显地，该想法适于其它的基于蒸汽的循环，其中该蒸汽易于从氧气中分离(例如，通过冷凝)。
如前所述的，真空泵吸离子传递组件吹扫侧对于采用蒸汽吹扫来说是一种可选择的办法。然而，该方法是不合乎需要的，因为真空泵吸需要特殊的设备，并且在如高温下真空泵取纯氧这些环境中尤其是这样--这是一个潜在的危险。即使如果在真空泵吸之前设置一个冷却器，对于真空泵吸吹扫侧通过冷却器的压力降可能成为一个主要的障碍。
至于在实施例1和2中选择进料和吹扫压力，在现系统中设定的分离将不会发生，除非采用蒸汽吹扫。如果从离子传递膜的吹扫侧分离出纯氧，离子传递组件将变得“自收缩的”并且需要的氧气传递将不会发生。例如，如果在15磅/平方英寸分离纯氧，进料侧的最小压力必须近似于75磅/平方英寸。如果在45磅/平方英寸分离，最小并且实际的进料压力将是225磅/平方英寸。对于实际应用，进料压力将不得不更高。这种情形明显是不合需要的，尤其在氮气不作为产品时，大部分花费在压缩进料气流上的能量将丢失在富氮的废气流中。
尽管压力驱动的离子传递组件的设计由于简单因而是优选的，但是这里描述的意见适于利用一种电驱动的或者一种压力驱动的采用离子传递膜的氧分离组件。此外，本发明的方法能够与其它低含热量制备方法联用，以便减少需要的能量。
如果从一种外部途径可得到低水平废热，该热量能够用于减小本发明方法的成本和操作费用。该热量可注入沸腾器-冷凝器11，提供全部或者部分的制备蒸汽的能量。然后还能省去鼓风机20，以及与它有关的费用。
如图1所示，部分渗透气流能够导入热交换器3以补偿进料和废气流之间的不平衡量的流动。此项改进将增加该热交换器的效率并且减小热交换器4的热能需求。
描述的本发明的典型产品是低压氧气，带或者不带副产品氮气。制备更高压的氧也是可能的。所有必须的就是通过增加沸腾器的蒸汽压力以在升高的压力下进行吹扫-渗透循环。在液态水冷凝和分离之后，氧气流产品也将仍处于较高压力下。用这种方法，能够获得任何预定的适当压力水平的氧产品。
从上面给出的实施例中很明显看出，本发明的方法适于一个广泛多样的操作条件。在低压或高压下能够制备一种或者两种气流产品。可以改变操作参数，例如吹扫压力和流速，以适应变化的产品需要。迅速地进行这些变化并且因此不断地满足产品需求应该是可能的。
如果要制备高纯度(大于99％，更优选地大于99.9％)的氮气，采用一个离子传递组件级实现这种分离或许是不切实际的，必须使用的后纯化。例如，在离子传递级能够制备氧和低纯度氮，并且可采用一种后纯化器以纯化来自离子传递级的富氮截留气流。该后纯化器应以任何现存的技术为基础：聚合膜、吸附系统(例如，PSA或者TSA)、传统的脱氧系统(例如，一种采用H、为基础的脱氧系统)，或者甚至是另一个离子传递组件。
如果为了后纯化采用了一个第二离子传递组件，可以使用一种反应性吹扫气体，例如，甲烷，去吹扫离子传递膜渗透侧，这种技术公开于例如1995年12月25日提交的、序列号为No.08/567,699的美国申请，它对应于公开号为No.778069的EP申请，这里将其引入作为参考。这样一种反应性气体极大地减小了在离子传膜吹扫侧的氧分压，从而导致氧传递的增强并且需要的离子传递膜面积比如果使用非反应性吹扫气体的情况要小得多。反应性吹扫性气体也可提供全部或者部分的热量输入，以便使离子传递组件级保持高的操作温度，并且还可更进一步地如图2所示的对进料气流提供热量。尽管是不合需要的，在第二离子传递组件级使用一种产品吹扫方案也是可能的，因而部分高纯度氮气截留气流被再循环以清扫离子传递组件的阳极侧，例如序列号为No.08/811,671,1997年3月5日提交的美国申请公开了这种方法，该申请是序列号为No.08/44,354的美国申请的后续申请，这两份申请相应于公开号为No.778069的欧洲申请，这里将其引入作为参考。在产品吹扫系统中对离子传递膜面积的要求比反应性吹扫系统的要更高。
这里使用的术语“元素氧”指未与周期表中的其它元素化合的任何氧。虽然通常是双原子形式时，但元素氧包括单一的氧原子，三个氧原子的臭氧，以及其它的未与其它元素化合的形式。
仅仅为方便起见，本发明具体的特点示于附图中，每个特点可与本发明的其它特点结合。此外，在不违背本发明精神内，可以对给定的实施例进行各种变化和改进。由本领域中熟炼的技术人员认识到的可供选择的其它实施方案，也打算包括在权利要求的范围内。

Claims (11)

1．一种从含元素氧和氮的进料气流制备一种氮产品气流和一种含有氧和蒸汽的加压气流的方法，该方法包括：
(a)压缩进料气流；
(b)加热加压的进料气流；
(c)采用包括一种具有渗透侧和截留侧的离子传递膜的离子传递组件将加热进料气流分离成在截留侧的氮产品气流和在渗透侧的含氧气流，包括采用含蒸汽的气流吹扫离子传递膜渗透侧，产生出含氧和蒸汽的加压气流；和
(d)将含氧和蒸汽的加压汽流分离成含饱和水蒸汽的加压氧产品气流和残留的水流。
2．按照权利要求1的方法，其残留水流的分离包括在热交换过程中以另一物流冷凝包含在含氧和蒸汽的气流中的至少一部分水蒸汽。
3．按照权利要求2的方法，其中含氧和蒸汽的气流经过与水流或者水蒸汽流进行热交换，变为用于吹扫离子传递膜渗透侧的含水蒸汽的气流。
4．按照权利要求2的方法，其中含氧和蒸汽的气流冷却至其露点附近，然后在其中的蒸汽冷凝之前被压缩，接着又与水流或者水蒸汽流进行热交换，变为含蒸汽的气流。
5．按照权利要求1的方法，其中用于吹扫离子传递膜渗透侧的含蒸汽气流压强为30磅/平方英寸至500磅/平方英寸。
6．按照权利要求1的方法，其中采用一种聚合膜干燥器系统、一种变温吸附干燥器系统、或者一种变压吸附干燥器系统，从含饱和水蒸汽的氧产品气流中分离出氧产品气流。
7．一种从含元素氧的进料气流制备至少一种含蒸汽加压氧气流的方法，该方法包括：
(a)压缩进料气流；
(b)采用一种离子传递反应器-加热器，加热加压的进料气流；
(c)采用包括一种具有渗透侧和截留侧的离子传递膜的离子传递组件，将加热进料气流分离成在截留侧的氮产品气流和在渗透侧的含氧气流，包括采用压强至少为30磅/平方英寸的含蒸汽气流吹扫离子传递膜渗透侧，以产生含氧和蒸汽的加压气流；和
(d)将含氧和水蒸汽的加压汽流分离成含饱和水蒸汽的高压氧产品气流和残留水流。
8．按照权利要求7的方法，其中在渗透侧的贫氧气流作为一种氮气流副产品被回收。
9．按照权利要求7的方法，其中低水平废热气流经过与水流或者水蒸汽流进行热交换，以产生用于吹扫离子传递膜渗透侧的含蒸汽气流。
10．一种从含元素氧的进料气流制备一种含氧和蒸汽的加压气流的方法，该方法包括：
(a)压缩进料气流；
(b)加热加压的进料气流；
(c)采用来自一种外部方法的热能加热水流以产生含蒸汽的气流；
(d)采用包括一种具有渗透侧和截留侧的离子传递膜的一种离子传递组件，将加热进料气流分离成在截留侧的贫氧气流和在渗透侧的含氧气流，包括采用含蒸汽气流吹扫离子传递膜渗透侧，以产生含氧和蒸汽的加压气流；
(e)将含氧和蒸汽的加压汽流分离成含饱和水蒸汽的加压氧产品气流和残留水流。
11．按照权利要求10的方法，还包括使加压氧产品气流引导到在那里使用的外部过程中。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication