專利名稱：綜合固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體分離器－冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在氣體分離系統(tǒng)中的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)。特別是，本發(fā)明涉及氣體分離、可能的反應(yīng)和冷卻作用集中在單一裝置內(nèi)的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體系統(tǒng)。
本發(fā)明是在國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)機構(gòu)頒發(fā)的合作協(xié)議7ONANB5H1065號下與美國政府一起作出的。在本發(fā)明中美國政府有一定的權(quán)利。
在此引入同時申請的題目為“固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器設(shè)計”，美國系列號-------[Attorney Docket No．D-20352]的申請作為參考。
非低溫大容量氧氣分離系統(tǒng)，例如有機聚合物隔膜系統(tǒng)，已經(jīng)被用來從空氣和其它氣體混合物中分離選擇的氣體?？諝馐且环N包含不同數(shù)量的水蒸氣的混合物，且在海平面上具有下列近似的體積組成氧氣(20．9％)、氮氣(78％)、氬氣(0．94％)、其余的由其它微量氣體組成。然而，可以使用由某些無機氧化物制成的完全不同類型的隔膜。這些固體電解質(zhì)隔膜由無機氧化物制成，一般是由具有螢石或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈣-或釔-穩(wěn)定的氧化鋯和類似的氧化物制成。
雖然作為氣體分離隔膜的這些氧化物陶瓷材料的潛能是大的，但是在它們的使用中還存在某些問題。最明顯的困難是所有的這些已知的氧化物陶瓷材料只在高溫下呈現(xiàn)明顯的氧離子導(dǎo)電性。它們必須在500℃，通常在600-900℃下運行好。盡管人們進行了許多研究以發(fā)現(xiàn)在低溫下工作良好的材料，但是這些限制仍然存在。Prasad等人在美國專利號5547494，題目為StagedElectrolyte Membrane中更詳細地描述了固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體技術(shù)，引入該文獻作為參考來更完全描述本領(lǐng)域的現(xiàn)狀。
最近的研究已經(jīng)開發(fā)出了固體氧化物，該氧化物在使用化學(xué)或電學(xué)驅(qū)動勢能時，在升高的溫度下可以傳導(dǎo)氧離子。如果使用足夠的氧氣分壓比來提供化學(xué)驅(qū)動勢能，那么這些由壓力驅(qū)動的離子導(dǎo)體材料可以用作從含氧氣流中提取氧氣的隔膜。因為這些材料對于氧氣的選擇生是無限的，而且可以獲得數(shù)量比聚合物隔膜高幾個數(shù)量級的氧氣流量，對于生產(chǎn)氧氣以及需要氧氣氧化的方法，特別是涉及高溫的應(yīng)用來說創(chuàng)造了吸引力的機會。一個顯著的例子是氣體渦輪循環(huán)，該循環(huán)一般處理大量的過量空氣以保持渦輪入口的溫度在現(xiàn)有材料的能力范圍之內(nèi)，因此可以將過量的氧氣作為副產(chǎn)品回收。
在技術(shù)文獻中已經(jīng)提出了本領(lǐng)域使用固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體的空氣分離技術(shù)狀況的進展。例如，Mazanec等人的美國專利號5306411，題目為SolidMulti-Component Membranes，Electrochemical Reactor Components，Electrochemical Reactors and Use of Membranes，Reactor Components，和Reactor for Oxidation Reactions涉及將含氧氣體與耗氧氣體反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)器，并描述了筒體和管式反應(yīng)器，其中含氧氣體在固體電解質(zhì)隔膜的一側(cè)流動，而耗氧氣體在另一側(cè)流動。然而，Mazanec等人沒有提出與維持隔膜表面在所希望的均勻溫度的熱的布置、完成有效物質(zhì)轉(zhuǎn)移的流體動力學(xué)有關(guān)的問題，或提出需要將反應(yīng)動力學(xué)與氧離子導(dǎo)電性平衡來保持材料穩(wěn)定性所需的適當(dāng)氧氣分壓。
Kang等人的美國專利號5565017，題目為High Temperature OxygenProduction with Steam and Power Generation涉及將離子遷移隔膜與氣體渦輪集成的系統(tǒng)，用于在其加熱和加入水蒸氣之后從滯留氣流中回收能量。
Kang等人的美國專利號5516359，題目為Integrated High TemperatureMethod for Oxygen Production涉及使用水蒸氣和惰性氣體作為隔膜分離器的清掃氣體。Kang等人的專利既沒有公開可能的裝置的設(shè)計，也沒有考慮使用離子遷移反應(yīng)器，其中通過從反應(yīng)產(chǎn)物氣流中排除氮氣，使它們可以用作離子遷移分離器的吹掃或清掃氣流發(fā)生器。
在Dyer等人的美國專利號5599383中公開了一種管狀固態(tài)隔膜組件，具有許多管狀隔膜裝置，每個裝置具有無通道的多孔載體和附在其上的致密的混合導(dǎo)體氧化物層。每個裝置的多孔載體是與一個或多個分流管或?qū)Ч芰鲃舆B接以排放已經(jīng)滲透過致密層和多孔載體的氧氣。
Westinghouse已經(jīng)研制出具有管狀設(shè)計的固體氧化物燃料電池，例如在PowerGen 1995-美國研討會，在Anaheim，California，十二月5-7日，1995，F(xiàn)rank P．Bvec和Walter G．Parker，SureCELLTM Integrated SolidOxide Fuel Cell Power Plants for Distributed Power Applications的文獻中描述的那樣。此文獻涉及管狀固體氧化物燃料系統(tǒng)，該系統(tǒng)其外部幾何結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的某些幾何結(jié)構(gòu)相似，但是該幾何結(jié)構(gòu)不會涉及由本發(fā)明的固體電解質(zhì)反應(yīng)器執(zhí)行的功能。Bvec和Parker描述了一種閉端燃料電池元件，其中通過同軸內(nèi)管將空氣供應(yīng)到固體電解質(zhì)隔膜的陰極側(cè)，這導(dǎo)致在進入發(fā)生氧氣遷移的陰極通道之前預(yù)熱該空氣。然而Bvec和Parker沒有提出熱布置和流體動力學(xué)的論點。
另外，與本發(fā)明不一樣，Westinghouse裝置不是產(chǎn)生熱或所希望的陰極側(cè)的產(chǎn)物的反應(yīng)器，而是產(chǎn)生電力的燃料電池，因此不能使用混合的或二元相導(dǎo)體作為電解質(zhì)。而且，Westinghouse固體氧化物燃料電池方案(參看圖4)也是低壓裝置，而本發(fā)明的反應(yīng)器至少在固體電解質(zhì)隔膜的一側(cè)看到高壓。因為在兩側(cè)的壓力差小，沒有提出密封的問題，雖然它在本發(fā)明中起著明顯的作用。Westinghouse燃料電池方案的特點在于也有用于進料空氣的同心內(nèi)管，然而，沒有考慮離子遷移氧氣分離器碰到的裝置方案的實際問題。
因此，本發(fā)明的目的是提供使用固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體系統(tǒng)的有效方法，其中氣體分離、可能的反應(yīng)和冷卻功能集成在同一個裝置內(nèi)以最大程度地使用常規(guī)的材料和常規(guī)的結(jié)構(gòu)方法。
本發(fā)明的第二個目的是使本發(fā)明的固體電解質(zhì)離子遷移系統(tǒng)集成到高溫循環(huán)例如氣體渦輪中。
本發(fā)明的第三個目的是提供能夠使用用于離子遷移分離器的滲透或陽極側(cè)的純凈氣流以增強氧氣的回收，同時又不影響上述的優(yōu)點。
本發(fā)明的第四個目的是將反應(yīng)部分集成到該產(chǎn)生由反應(yīng)產(chǎn)物組成的純凈的水蒸氣的裝置中，它位于同一個管狀通道內(nèi)，在分離器部分的上游，以清洗該分離器的滲透的陽極側(cè)來增強氧氣回收，而不影響上述討論的優(yōu)點，因此將用離子遷移隔膜分離氣體所需要的多數(shù)單元操作集成在單個裝置中，大大簡化了工藝布局。
本發(fā)明包括生產(chǎn)作為滲透氣流的氧氣氣流或富氧氣流和作為滯留氣流的缺氧氣流的方法，其首先從包含元素氧的進料氣流中分離出氧氣，然后在同一個分離器-冷卻器內(nèi)冷卻因此獲得的氧氣氣流或富氧氣流。該分離器-冷卻器有一個分離器部分和冷卻部分以及氧氣產(chǎn)物出口部分，其中分離器部分包括具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜。該方法包括步驟(a)將進料氣流壓縮；(b)將壓縮的進料氣流分成主氣流部分和次氣流部分；(c)加熱主氣流部分；(d)將加熱的主氣流部分引入該裝置的分離器部分；(e)將次氣流部分導(dǎo)入氧氣產(chǎn)物出口附近的該裝置的冷卻部分；(f)通過分離器部分的離子遷移隔膜從加熱的主氣流部分中除去氧氣，從而在隔膜的滲透側(cè)得到熱的富氧氣流，而在隔膜的滯留側(cè)獲得缺氧氣流；和(g)將熱量從富氧氣流中傳遞到次氣流部分，以產(chǎn)生氧氣氣流或富氧產(chǎn)物氣流和加熱的次氣流部分，其中次氣流部分或排出該裝置，或在加熱的次部分氣流部分引入該裝置的分離器之前與加熱的主氣流部分合并，以及將缺氧氣流排出該裝置。
在本發(fā)明優(yōu)選的具體方案中，分離器-冷卻器還包括反應(yīng)器部分，其包括具有滲透側(cè)和滯留側(cè)的離子遷移隔膜來建立單個的反應(yīng)器-冷卻器裝置或單個的反應(yīng)器-分離器-冷卻器裝置。在反應(yīng)器-分離器-冷卻器裝置中，將反應(yīng)氣流引入到該裝置反應(yīng)部分的離子遷移隔膜的滲透側(cè)，與滲透通過離子遷移隔膜的離子遷移隔膜的在滲透側(cè)附近的第二次氧氣氣流反應(yīng)，產(chǎn)生用于吹掃該裝置分離器部分的離子遷移隔膜滲透側(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物氣體，該反應(yīng)產(chǎn)物氣流和第一次氧氣氣流與第二次氧氣氣流中任何未反應(yīng)的氧氣組合為富氧氣流，排出該裝置，而缺氧氣流獨立地排出該裝置。可以將該裝置分離器部分的離子遷移隔膜和該裝置反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜集成在一起，更優(yōu)選地，該裝置分離器部分的離子遷移隔膜包括多孔的載體并且由在高氧氣分壓下具有高氧氣傳導(dǎo)率的離子遷移材料組成，而該裝置反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜由在低氧氣分壓下具有最佳穩(wěn)定生的混合導(dǎo)體層組成。
本發(fā)明還包括一種生產(chǎn)缺氧氣流和作為滲透氣流的反應(yīng)產(chǎn)物氣流的方法，其首先從含有元素氧的進料氣流中分離氧氣生產(chǎn)缺氧氣流和熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流，然后在同一個反應(yīng)器-冷卻器裝置中將熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流冷卻，獲得反應(yīng)產(chǎn)物氣流。該反應(yīng)器-冷卻器有反應(yīng)器部分和冷卻部分以及反應(yīng)產(chǎn)物出口。反應(yīng)器部分包括具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜。該方法包括步驟(a)將進料氣流壓縮；(b)將壓縮的進料氣流分成主氣流部分和次氣流部分；(c)將主氣流部分引入該裝置的分離器部分；(d)將次氣流部分引入反應(yīng)產(chǎn)物出口附近的該裝置的冷卻部分；(e)通過在該裝置反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜的滲透側(cè)引入反應(yīng)氣流與滲透過離子遷移隔膜的在滲透側(cè)附近的離子遷移隔膜的氧氣氣流反應(yīng)，在離子遷移隔膜的滲透側(cè)生成熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流，而離子遷移隔膜的滯留側(cè)生成缺氧氣流通過反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜從主氣流部分中除去氧氣；和(f)將熱量從熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流中傳遞到次氣流部分中生產(chǎn)反應(yīng)產(chǎn)物氣流和加熱的次氣流部分，其中將次氣流部分或排出該裝置，或在加熱的主部分氣流部分引入該裝置的反應(yīng)器之前與加熱的主氣流部分結(jié)合，而且其中將缺氧氣流排出該裝置。此應(yīng)用的例子包括燃燒器、離解裝置、共生氣體(syngas)同生產(chǎn)或其它氧化工藝。
在本發(fā)明優(yōu)選的具體方案中，在其引入到該裝置的反應(yīng)器部分之前，將主氣流部分加熱到中間溫度。在本發(fā)明另一個優(yōu)選的具體方案中，反應(yīng)產(chǎn)物氣流中基本上沒有氮氣。在本發(fā)明另一個優(yōu)選的具體方案中，該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜和用于運載反應(yīng)產(chǎn)物氣流通過該裝置冷卻器部分的導(dǎo)管是集成形成的。
本發(fā)明還包括一種通過在反應(yīng)器-分離器裝置內(nèi)從含氧元素的進料氣流中分離氧氣來生產(chǎn)富氧氣流和缺氧氣流的方法。該反應(yīng)器-分離器裝置有分離器部分和反應(yīng)器部分。其中分離器部分和反應(yīng)器部分包括至少一種具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜。該方法包括步驟(a)將進料氣流壓縮；(b)將壓縮的進料氣流引入該裝置和從反應(yīng)產(chǎn)物氣流中傳遞熱；(c)通過該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜從加熱的進料氣流中除去氧氣，在隔膜的滲透側(cè)生成反應(yīng)產(chǎn)物氣流，而在隔膜的滯留側(cè)生成缺氧氣流；和(d)在該裝置的分離器部分中通過離子遷移隔膜的遷移從部分去氧的氣流中除去另外的氧氣，在隔膜的滯留側(cè)產(chǎn)生缺氧氣流。將反應(yīng)氣流引入該裝置反應(yīng)器部分中離子遷移隔膜的滲透側(cè)，與遷移過隔膜位于滲透側(cè)附近的氧氣反應(yīng)，生成用于吹掃該裝置分離器部分中離子遷移隔膜的滲透側(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物氣流，以及反應(yīng)產(chǎn)物氣流與未反應(yīng)的遷移氧組合在一起作為富氧氣流排出該裝置。優(yōu)選地，將缺氧氣流獨立地排出該裝置。
在本發(fā)明優(yōu)選的具體方案中，該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜和該裝置反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜完整形成。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選的具體方案中，該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜包括多孔的載體且由在高氧氣分壓下具有高氧氣傳導(dǎo)率的離子遷移材料組成，而該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜由在低的氧氣分壓下具有最佳穩(wěn)定性的混合導(dǎo)體層組成。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選的具體方案中，反應(yīng)氣體在引入該裝置的反應(yīng)器部分之前被加熱。
這里使用的術(shù)語“元素氧”意思是指未與周期表中其它任何元素結(jié)合的氧。盡管一般是雙原子的形式，但元素氧包括單氧原子、三原子臭氧和未與其它元素結(jié)合的其它形式。
這里使用的術(shù)語“反應(yīng)器”意思是遷移氧氣進行化學(xué)反應(yīng)和消耗氧氣的分離器。而按照本發(fā)明，有時使用術(shù)語“反應(yīng)器”和“分離器”來描述該裝置的不同部分，這里也使用術(shù)語“分離器”來廣義地描述反應(yīng)器和／或分離器部分。
從下面本發(fā)明優(yōu)選的具體方案的描述和附圖中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會明白本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)點，其中

圖1A是本發(fā)明的一個具體方案的示意圖，表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體分離器-冷卻器的基本方案，其特點在于以帶有封閉的和自由浮動端的離子遷移管；圖1B是表示該裝置的分離器部分的離子遷移管與該裝置的冷卻部分的金屬管如何通過焊接、釬焊、或機械連接這些管來實現(xiàn)密封連接的細節(jié)的示意圖；圖2是表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-分離器-冷卻器的基本方案，其特點在于帶有軸封的離子遷移通過管；圖3是本發(fā)明的具體方案的示意圖，表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體分離器-冷卻器的基本方案，其特點在于帶有封閉的和自由浮動端的離子遷移管；圖4是本發(fā)明的另一個具體方案的示意圖，表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-分離器-冷卻器的基本方案，其特點在于帶有封閉的和自由浮動端的離子遷移管；圖5是表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-冷卻器的基本方案的本發(fā)明的具體方案的示意圖，其特點是離子遷移通過管帶有軸封并能夠冷卻滯留氣流和滲透氣流；圖6是表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-冷卻器的基本方案的本發(fā)明的另一個具體方案的示意圖，其特點在于帶有封閉的和自由浮動端的離子遷移管；圖7是表示離子遷移管的橫截面示意圖，其中該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移膜、該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜和該裝置的冷卻器部分的導(dǎo)管整體形成；圖8是表示使用本發(fā)明的反應(yīng)器-分離器-冷卻器的完整的氧氣／氮氣分離循環(huán)的示意圖；和圖9是集成到其它渦輪循環(huán)中的本發(fā)明的離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器的示意圖。
本發(fā)明提出的有些關(guān)鍵問題涉及使氣體擴散阻力達到最小、避免來自熱膨脹和復(fù)合膨脹和收縮引起的過多應(yīng)力，以及將離子遷移組件密封在離子遷移裝置內(nèi)。后一個問題由于離子遷移隔膜的運行溫度是在500-1100℃范圍內(nèi)而更嚴(yán)重。本發(fā)明在優(yōu)選的具體方案中使用了管式的離子遷移組件，消除了由于使用了封閉端的管和在此端上自由浮動而產(chǎn)生的上述應(yīng)力。通過在同一個裝置中將離子遷移分離和／或反應(yīng)功能與氧氣冷卻組合在一起也基本上減少了密封的問題。如后面討論的那樣，這樣可以優(yōu)選地使管管板連接保持在180-300℃的范圍內(nèi)，并且允許使用常規(guī)的技術(shù)，例如焊接、釬焊或機械方法實現(xiàn)來密封。在優(yōu)選的方法中，部分進料空氣繞過燃燒器或加熱器并用作冷卻氧氣產(chǎn)物或排出反應(yīng)產(chǎn)物氣流的散熱片。用提供高橫向氣流速度的擋板布局或使用小流動通道水利半徑來減小對高壓氣體的擴散阻力。
其它功能，例如間接加熱第三氣流或用合適的固體電解質(zhì)隔膜分離氧氣產(chǎn)物氣流，被集成在一起以達到最佳的簡單性，同時滿足前面所述操作要求。
本發(fā)明提供了固體電解質(zhì)反應(yīng)器必需滿足以達到可行和實用的所有功能要求，并公開了反應(yīng)器功能如何有利地與其它操作結(jié)合。具體地說，本發(fā)明引入熱交換方法，例如從固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體組件中除去反應(yīng)熱，因此將固體電解質(zhì)反應(yīng)器離子導(dǎo)體組件保持在十分恒定的溫度。這可以按照需要選擇合適的熱交換表面的幾何結(jié)構(gòu)和合適的局部流動速度而改變局部熱交換系數(shù)來完成。同時，高的湍流或窄的通道面積可以保證氧有效質(zhì)量遷移到陰極表面和反應(yīng)物遷移到隔膜的陽極表面。另外，注意通過平衡局部氧氣氣流和反應(yīng)動力學(xué)保持陽極表面上或附近的氧氣分壓為足夠高的水平以延長所使用的特定的混合或雙相導(dǎo)體。這一方面可以通過選擇其有適當(dāng)離子傳導(dǎo)率和厚度的隔膜和另一方面通過催化劑材料和或表面積來控制催化活性來完成。
如上所述，本發(fā)明利用許多基本的方法來減輕或消除在離子遷移分離器裝置碰到的問題。在圖中顯示的本發(fā)明至少一些各種具體方案中存在的最大的優(yōu)點如下(ⅰ)自由浮動和封閉的管端避免了由于不同的熱膨脹或復(fù)合膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力；(ⅱ)將冷卻器引入離子遷移分離器裝置中不需要帶有管板和壁的分開的和昂貴的高溫氧氣冷卻器；(ⅲ)在同一裝置中分離器與冷卻器的結(jié)合使管板保持在中溫，允許采用相對廉價材料和常規(guī)的管管板連接，達到適當(dāng)?shù)母咴O(shè)計應(yīng)力；(ⅳ)絕熱容器允許在殼中使用廉價的結(jié)構(gòu)材料；(ⅴ)使用擋板和高氣體速度增強了物質(zhì)和熱量的傳遞；(ⅵ)使用部分含氧進料氣體提供了用于冷卻氧氣產(chǎn)物氣流的散熱片；(ⅶ)簡化了安裝和管道。
在本發(fā)明的具體方案中使用的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體管通常是由厚壁固體氧化物混合的或二元相導(dǎo)體組成，或者由多孔基體承載的薄膜固體氧化物混合的或二元相導(dǎo)體組成。當(dāng)由通過固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體隔膜的氧氣分壓之比引起的化學(xué)勢能差在整個固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體隔膜表面上保持住時，固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體材料在500-1100℃的溫度范圍內(nèi)于前述氧氣分壓下必須能夠傳導(dǎo)氧離子和電子。適合的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體材料是表I列出的鈣鈦礦和二元相金屬-金屬氧化物的結(jié)合。因為在許多應(yīng)用中固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體隔膜的陽極側(cè)的反應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生非常低的氧氣分壓，所以表Ⅰ中含鉻的鈣鈦礦可以是優(yōu)選的材料，這是因為在這種環(huán)境中這些材料趨于穩(wěn)定，即，在非常低的氧氣分壓下它們不會化學(xué)分解。任選地，當(dāng)需要時，可以將增強化學(xué)反應(yīng)和／或?qū)崿F(xiàn)高交換表面積的多孔催化劑層加入到固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體隔膜的兩側(cè)來增強在這些表面上的化學(xué)反應(yīng)。然而，這些多孔的催化劑層可以是與在離子遷移管中使用相同的鈣鈦礦固體電解質(zhì)材料。另一方面，該固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體隔膜的表面層可以是摻雜的，例如用鈷摻雜，以增強表面交換動力學(xué)。表Ⅰ
在此方案中，平衡局部氧氣流和反應(yīng)動力學(xué)以保證局部氧氣分壓處于材料具有穩(wěn)定性的壓力，即對于目前已知材料來說，一般為10-15大氣壓，這一點也是重要的。氧氣流量是復(fù)雜的函數(shù)，它取決于材料離子的傳導(dǎo)率、固體電解質(zhì)壁的厚度、反應(yīng)動力學(xué)、燃料的分壓和催化活性，催化活性受催化劑的選擇和催化劑擴大的面積的影響。在固體電解質(zhì)管的反應(yīng)側(cè)的流動可以是逆流或順流。在某些環(huán)境下，氣體流動的方向可能是重要的，因為它將影響局部反應(yīng)動力學(xué)和氧氣分壓環(huán)境。后者對氧氣流量、材料穩(wěn)定性和復(fù)合壓力有影響。
通常，在引入該裝有的反應(yīng)器部分之前，將主氣流部分加熱到中間溫度，這提高工藝的效率。然而，如果該裝置包括反應(yīng)器部分，并希望使反應(yīng)器從滲透的氧氣氣流與反應(yīng)氣流的反應(yīng)生成的熱的能力達到最大，那么在其引入該裝置之前不加熱主氣流部分。
圖1A表示了離子遷移分離器-冷卻器的示意圖。通常，將含有元素氧的進料氣流壓縮并分成兩部分送入分離器-冷卻器裝置中。當(dāng)冷進料氣流2次氣流部分的，直接送入該裝置中時，在使用主氣流部分之前通常將其加熱產(chǎn)生熱進料氣流1。在運行過程中，熱進料氣流1被引入到分離器部分30中，而在溫度優(yōu)選為80-250℃范圍內(nèi)，冷的進料氣流2被送入冷卻器部分32中。因為在該裝置的分離器部分301和冷卻器部分32中氣流壓力基本上相等，所以只需要擋板11來分離兩部分。擋板11不需要隔熱但是可以隔熱。離子遷移分離器-冷卻器管5橫穿30和32兩部分。離子遷移分離器-冷卻器管5在該裝置的上端被封蓋和自由浮動，在該裝置的底部被連接和密封到管板4上。因為管板4是在小于300℃的溫度下，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)，例如焊接、釬焊或局部管膨脹(滾動)、0型圈、或其它機械方法來實現(xiàn)離子遷移分離器-冷卻器管5-管板4的連接。離子遷移管5必須能夠自由膨脹以適應(yīng)由于熱膨脹和復(fù)合膨脹導(dǎo)致的軸向增長。隔熱層15使該裝置的含結(jié)構(gòu)壓力壁15隔熱，從而允許使用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)材料，例如不銹鋼或碳素鋼。
在該裝置的分離器部分30和冷卻器部分32都可以使用管5。因為制成離子遷移分離器-冷卻器管的材料在高溫下將傳導(dǎo)氧離子，但是在低溫下基本上是不滲透的，它可以用作分離器部分30中的分離隔膜和冷卻器部分32中的熱交換表面。為了實現(xiàn)所要求的高氧氣流量，優(yōu)選由薄的致密分離層多合材料制成分離器-冷卻器管5，該分離層由多孔基體承載。這種分離器-冷卻器管5的致密分離層是由在高氧氣分壓下具有高氧離子傳導(dǎo)率的材料組成。如上所述，合適的材料是表I中的混合的和二元相導(dǎo)體。優(yōu)選的材料是La1-xSrxCo1-yFeyO3-o。多孔基體可以由相同的材料組成或由一層或幾層在操作溫度下化學(xué)性與相鄰材料相似的其它材料組成?？梢蕴鎿Q的材料是不太昂貴的氧化物，例如氧化鋯、二氧化鈰、三氧化二釔、氧化鋁或例如含鉻-鎳的超級合金的金屬。任選地，可以在離子遷移部分的滯留側(cè)和滲透側(cè)用多孔催化劑層涂覆分離器-冷卻器管5來分別提高氧氣的分解和合成。在陽極(滲透)側(cè)，催化作用是由與致密的分離層相鄰的或連接的多孔層執(zhí)行。
因為離子遷移分離管可能比冷卻器管更昂貴，所以它適合使用金屬冷卻器，該冷卻器通過焊接或釬焊用位于冷卻器部分上部的接頭連接到離子遷移分離器上。這種連接的細節(jié)如圖1B所示。在圖1B中說明的分離器-冷卻器管5有三部分具有金屬化端的離子遷移管48，套管49和冷卻管50。離子遷移管48和冷卻管50的管端被銅焊或熔焊在套管49上。另一種選擇是分離器部分30和冷卻器部分32使用相同的基體管，但對冷卻器部分32中的分離器一冷卻器管5部分中的離子遷移層采用便宜的致密的密封層來代替。如果使用金屬的多孔層，這尤其有吸引力。
回到圖1A中，熱進料氣流1流過由擋板10控制的分離器一冷卻器管5的外表面。來自熱進料氣流1的氧氣滲透過分離器-冷卻器管，5從而產(chǎn)生在分離器-冷卻器管5內(nèi)部熱氧氣氣流8。去除氧氣的熱進料氣流1變成缺氧氣流12并排出該裝置的分離器部分30。當(dāng)冷進料氣流2橫向逆流流向由擋板10控制的分離器-冷卻器管5內(nèi)部的熱氧氣氣流8中時，熱氧氣氣流8從分離器部分30流向冷卻器部分32中并通過與冷進料氣流2熱交換而冷卻成氧氣產(chǎn)物氣流18，其通過產(chǎn)物出口20排出該裝置?，F(xiàn)在處于高溫下的冷進料氣流2作為熱氣流17而抽出，并且可以加入到熱進料氣流1中。另一方面，例如，在該裝置中熱氣流17可以用穿過擋板11導(dǎo)管34與熱進料氣流1連接。如上所述，由熱氣流17增加的熱進料氣流1橫向逆流流過分離器部分30，進入到熱氧氣氣流8中，而氧氣滲透過分離器-冷卻器管5。
圖2是本發(fā)明的另一個具體方案的示意圖，表示了包括離子遷移通過帶有軸封裝置54的管的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-分離器-冷卻器的基本方案。如圖1A所示，含有元素氧的進料氣流被壓縮并分成兩部分送入反應(yīng)器-分離器-冷卻器裝置中。在運行過程中，進料氣流61被引入反應(yīng)器部分51中而冷進料氣流62被送入冷卻器部分53中。離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55穿過所有部分51、52和53。離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55在該裝置的上端通過軸封裝置54或帶有風(fēng)箱的固定密封連接到管板64上且在該裝置的底部連接并密封在管板65上。因為管板65將處于小于300℃的溫度下，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)例如焊接、釬焊或局部的管膨脹(滾動)、0型圈、或其它機械方法來實現(xiàn)離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55對管板65的連接。然而，管板64和65是在更高的溫度下和通常使用不同的方法來實現(xiàn)密封。雖然沒有表示出來，隔熱部分使該裝置含結(jié)構(gòu)壓力的壁70隔熱，從而允許使用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)材料例如不銹鋼或碳素鋼。
在該裝置的反應(yīng)器部分51、分離器部分52和冷卻器部分53中可以使用管55。如圖1A和1B所述的那樣，離子遷移分離和反應(yīng)管可能比冷卻管更昂貴，因此它適合于使用金屬冷卻管，該管通過焊接或釬焊與位于冷卻器上部的接頭一起連接到離子遷移分離器的管和離子遷移反應(yīng)器的管上。另一方面，可以使用在各部分51、52和53具有不同組成的單個復(fù)合管，以使各部分的特殊作用達到最佳。這種復(fù)合管的橫截面如圖7所示。在這些復(fù)合管中，多孔基片251承載一薄的致密分離層。采用在低氧氣分壓下具有最佳穩(wěn)定性的多合導(dǎo)體層252涂覆該管的反應(yīng)器部分，采用在高氧氣分壓下具有高傳導(dǎo)率的材料253涂覆分離器部分，以及用廉價的密封層254涂覆該管的冷卻器部分。如圖1B所示，該管的冷卻部分可以用不同的材料(例如金屬)制成，并被連接到包括反應(yīng)器和分離器部分的復(fù)合離子遷移管上。因此，在該裝置的反應(yīng)器部分51、分離器部分52和冷卻器部分53中可以使用同一個復(fù)合管。
回到圖2中，進料氣流61流過由擋板60控制的隔層管56的外表面并通過與隔層管56熱交換而加熱，并流入在反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55的外表面和隔層管56的內(nèi)表面之間形成的同心的環(huán)形通道68。隔層管56通過該裝置的分離器部分52延伸到反應(yīng)器部分51之外。反應(yīng)氣流，例如任選地用蒸汽稀釋的甲烷，沿著反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55流動，并與從通過反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55的進料氣流61中滲透的氧氣反應(yīng)，從而在管55的內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物氣流73。當(dāng)反應(yīng)氣流72由甲烷或另一種烴組成時，如果有過量的燃料或氧氣，如果該過程是在缺燃料的情況下進行，那么反應(yīng)產(chǎn)物氣流73主要是二氧化碳和水，燃燒的正常產(chǎn)物，和未反應(yīng)的燃料。優(yōu)選地，當(dāng)在分離器部分中的反應(yīng)條件不利于離子遷移材料時，在分離器部分52中不會存在過量的燃料。
由反應(yīng)氣流72與滲透的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的熱通過對流和輻射方法從反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55的反應(yīng)器部分51傳遞到隔層管56，并從這里傳遞到在隔層管56的外部流動的進料氣流61中。通過變化的擋板間隔或絕緣來調(diào)節(jié)局部的熱傳遞系數(shù)以產(chǎn)生合理的均勻的反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55的溫度。同時，由擋板60控制的冷進料氣流62在該裝置的冷卻部分53中流動，在反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55中將該氣流冷卻，并且所獲得的處于高溫下所得到的氣流與進料氣流61一起流入同心的環(huán)形通道68中。反應(yīng)產(chǎn)物氣流73流到該裝置的分離部分52并吹掃反應(yīng)器-分離器-冷卻器管55的分離器部分52來增強通過隔膜的化學(xué)驅(qū)動勢能，以便氧氣滲透通過管55產(chǎn)生富氧產(chǎn)物氣流74，該氣流被流動的冷卻的進料氣流74冷卻并且含有氧氣和在該裝置的反應(yīng)器部分51中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。富氧產(chǎn)物氣流74通過產(chǎn)物出口排出該裝置。處于高壓下的缺氧產(chǎn)物氣流也可以回收。
在圖2所示的本發(fā)明的具體方案說明了可以使用吹掃氣流，例如來自離子遷移反應(yīng)器的蒸汽或反應(yīng)產(chǎn)物(二氧化碳和水)，來清掃離子遷移隔膜的陽極，因此降低了陽極處的氧氣分壓和增加了氧氣分離的驅(qū)動力，導(dǎo)致較小的分離器面積和／或回收包含在進料氣體中的大量氧氣。圖2和圖3表示了改進的基本分離器-冷卻器裝置，其允許使用這種吹掃氣體，同時保持前面所述的分離器-冷卻器的所有優(yōu)點。在圖3中表示的本發(fā)明的具體方案(下面討論)不同于圖2的具體方案，其中圖2的具體方案在該裝置內(nèi)的反應(yīng)器部分產(chǎn)生吹掃氣體，而圖3中使用的吹掃氣體可以由其它地方產(chǎn)生或由外源提供。
圖3是本發(fā)明的具體方案的示意圖，表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體分離器-冷卻器的基本方案，特點是帶有自由浮動的密封端的管和用于燃料或外部產(chǎn)生的吹掃氣流的內(nèi)部吹掃進料管。如圖1A所示，包含元素氧的進料氣流被壓縮并分成兩部分送入反應(yīng)器-分離器-冷卻器裝置中，并且一部分被加熱。在運行的過程中，熱進料氣流91被引入反應(yīng)器部分100內(nèi)而冷進料氣流92被引入到冷卻器部分101中。離子遷移分離器-冷卻器管95橫過該裝置的分離器部分100和冷卻器部分101。在該裝置的上端，離子遷移分離器-冷卻器管95是密封的和自由浮動的，且如圖所示在該裝置的底部連接到管板94上。如前所述，因為管板94將處于小于300℃的溫度下，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)來實現(xiàn)分離器-冷卻器管95-管板94連接。同樣地，絕緣體105將該裝置含有結(jié)構(gòu)壓力的壁106絕緣，從而允許使用標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料。如圖1A所示，在該裝置的分離器部分100和冷卻器部分101中也可以使用相同的管95，而且也可以如上面討論的那樣構(gòu)造。
熱進料氣流91流過由擋板120控制的分離器-冷卻器管95的外表面。同時，吹掃氣流108流過該裝置并用連接到管板96上的吹掃進料管110來引導(dǎo)。當(dāng)吹掃氣流108進入該裝置中并通過與環(huán)形通道112中的熱產(chǎn)物氣流熱交換而加熱時，其基本上與冷空氣流92處于相同的溫度(100℃-300℃)。然后，吹掃氣流流入在分離器-冷卻器管95的內(nèi)表面和吹掃進料管110的外表面之間形成的同心的環(huán)形通道112中。吹掃進料管110幾乎延伸經(jīng)過分離器-冷卻器管95的整個長度。當(dāng)吹掃氣流108流過分離器-冷卻器管95的外表面和作為缺氧氣流114排出該裝置時，其沖洗分離器-冷卻器管95的滲透側(cè)且增強從熱進料氣流91中提取氧氣，這可以作為產(chǎn)物回收。同時，冷進料氣流92由擋板120控制，在該裝置的冷卻部分101中流動，冷卻在分離器-冷卻器管95中的混合氣流，和在高溫下將所得到的氣流作為加熱的氣流116排出該裝置。在加熱的氣流116加入該裝置之前可以加入到進料氣流91中或者，雖然未表示，但是也可以在其之后加入進料氣流91中。吹掃氣流108，此時與滲透的氧氣混合并通過冷卻的進料氣流92的流動而冷卻，作為產(chǎn)物氣流118從產(chǎn)物出口119排出該裝置。
人們?nèi)菀卓吹揭驗樗械墓芏耸亲杂筛拥亩依鋮s氣流的流動布局沒有改變，所以保留了圖1A的具體方案的所有優(yōu)點?？梢栽谧銐虻偷臏囟认率勾祾邭饬鬏斎耄@有助于管對管板連接處的密封，通過與排出產(chǎn)物氧氣一吹掃氣體混合物呈逆流布局并且可以將吹掃的氣流加熱到離子遷移隔膜的工作溫度。
圖4是本發(fā)明的另一個具體方案的示意圖，表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-分離器-冷卻器的基本方案。如圖1A所示，包含元素氧的進料氣流被壓縮并分成兩部分裝入反應(yīng)器-分離器-冷卻器裝置中。該裝置利用了三種同心管連接到頂部管板150上并在分離器部分131的底部開口的隔層管149，在頂部封閉并連接到中間管板144的離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145，和在頂部開口且連接到頂部管板155上的內(nèi)部進料管154。絕緣體165使該裝置的含有結(jié)構(gòu)壓力的的壁166隔熱，從而允許使用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)材料。管板144和155將處于小于300℃的溫度下，且可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)來實現(xiàn)所有管對管板的連接。管板150將處于較高的溫度下，但是密封不如其它的連接重要，因為密封的兩側(cè)只有很小的壓力差。離子遷移反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145橫過該裝置的反應(yīng)器部分130、分離器部分131和冷卻器132。部分130、131和132通過在不同的運行條件下進行不同的作用有效地運行分離階段。與圖2的具體方案所述的反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145的類似的改進可以用于圖4的具體方案。用帶有開口157的擋板158將冷卻部分132與分離器部分131分開。
在運行的過程中，進料氣流135被引入反應(yīng)器部分130中，而冷進料氣流142被送入冷卻器部分132中。反應(yīng)氣流160，帶有或不帶有稀釋劑，通過內(nèi)部的進料管154送入。進料氣流135流過由擋板168控制的隔層管149的外表面，并通過與有隔層管149熱交換而加熱，以及流過在反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145的外表面和隔層管149的內(nèi)表面之間形成的同心環(huán)形通道164。
任選地，反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145的第一部分可以用不起反應(yīng)的吹掃氣流進行，有效地形成三階段分離器，其中不起反應(yīng)的吹掃部分先于第二個不起反應(yīng)的吹掃部分而進行相應(yīng)的吹掃部分。在該裝置的中心反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145中說明了這種選擇，并且通過在離子遷移管145的頂端加入限制流動的具有預(yù)定尺寸的小孔182來完成，因此較早地引入產(chǎn)物吹掃氣流和終止內(nèi)部進料管154a。如果使用這種布局，那么在內(nèi)部管的頂端還應(yīng)該有擋板184，從而對反應(yīng)氣流160排出內(nèi)部進料管154a而使其轉(zhuǎn)向。這種選擇的動機是避免封閉的離子遷移管端暴露于高度還原的環(huán)境中，該環(huán)境是與活性吹掃陽極和在陰極處的高純氮氣產(chǎn)物一起存在，并且對材料的穩(wěn)定性不利。另一方面，可以將少量的進料氣流加入到反應(yīng)氣流160中，以便大大提高在產(chǎn)物氮氣氣流端的吹掃氣流中的氧氣分壓，同時還保持其足夠低以維持氧氣遷移的足夠驅(qū)動力。典型地，在吹掃的氣體中氧氣的分壓可以從10-20大氣壓升高到10-14大氣壓。
沒有這種改進，反應(yīng)氣流160沿著反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145流過在反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145的內(nèi)表面與內(nèi)部進料管154的外部面之間形成的環(huán)形通道162，并與進料氣流135中通過反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145滲透的氧氣反應(yīng)，從而在管145內(nèi)部產(chǎn)生熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流170。適當(dāng)比例的氣流流動保證在反應(yīng)氣流160中的燃料沿著環(huán)形通道162在某點上就被耗盡。反應(yīng)氣流160與滲透的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的熱通過對流和輻射的方法從反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145傳遞到隔層管149。同時，冷卻的進料氣流142，由擋板168控制，在該裝置的冷卻部分132中流動，在反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145的內(nèi)部中將該氣流冷卻，以所獲得處于高溫下的氣流流過擋板158上的流動開口157，并與進料氣流135匯合向上流過環(huán)形通道164。因此，熱反應(yīng)產(chǎn)物氣流170流到該裝置的分離部分131，并沖洗反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145來增強穿過隔膜的化學(xué)驅(qū)動勢能，以便氧氣滲透過管145產(chǎn)生富氧產(chǎn)物氣流180，其已經(jīng)被由擋板133控制的冷進料氣流142的流動而冷卻，并且包含氧氣和在該裝置的反應(yīng)器部分130里產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。富氧產(chǎn)物氣流180通過產(chǎn)物出口181排出該裝置。如果反應(yīng)氣流160由甲烷或另一種烴組成，那么反應(yīng)產(chǎn)物氣流180將主要包含氧氣、二氧化碳和水。
如在前面討論的具體方案中那樣，原料氣流中次要部分的冷進料氣流142在冷卻器部分132的底部送入，通過流動開口157，并由逆流的滲透產(chǎn)物流動而重復(fù)加熱，由此進行冷卻作用。反應(yīng)器作用，如圖4和前面說明的那樣，當(dāng)過料氣流135通過反應(yīng)器-分離器-冷卻器管145壁內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)向下交叉逆流流動時加熱進料氣流135，它是原料氣流的主要部分，如圖1A和3所示的那樣，所有的管端是自由浮動的以避免熱和復(fù)合尺寸變化產(chǎn)生的應(yīng)力，并且將底部的管板冷卻，從而易于使管對管板的連接和密封。此密封的質(zhì)量有時與氮氣氣流的純度要求有關(guān)。如所有的具體方案那樣，該裝置的外殼側(cè)裝有擋板168以增強熱交換。在反應(yīng)器部分130中，擋板168有可調(diào)節(jié)的間隔在外殼側(cè)氣流和隔層管149之間的溫度差高的地方較寬，而溫度差較小的地方較小。擋板168的這種可調(diào)節(jié)的間隔的目的是保持在反應(yīng)器部分130中恒定的熱流和使離子遷移元件的溫度變化最小。如上所述，隔層管149可以獲得與離子遷移反應(yīng)器管表面有關(guān)的有利的輻射熱。雖然未表示出，但是該設(shè)計也可以要求將T非常大的進料口附近的隔層管隔熱。
與所有提供的具體方案一樣，圖4中所示的本發(fā)明的具體方案可以適用于許多作用。例如，該裝置可以用作一種兩階段脫氧裝置，第一階段反應(yīng)用反應(yīng)產(chǎn)物吹掃氣進行反應(yīng)吹掃，而第二階段用燃燒產(chǎn)物吹掃氣進行壓力吹掃，或者用作一種分離器從進料空氣中提取氧氣和從集成的氣體渦輪循環(huán)中由燃燒產(chǎn)物中產(chǎn)生二氧化碳，或者用作一種裝置將空氣分離成氮氣產(chǎn)物氣流和氧氣產(chǎn)物氣流，該氣流包含一些從該裝置下游分離出來的二氧化碳和水。
圖5是表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-冷卻器的基本方案的本發(fā)明的另一種具體方案的示意圖。如圖1A所示，包含元素氧的進料氣流被壓縮并分成至少兩部分送入反應(yīng)器-冷卻器裝置中。在運行的過程中，進料氣流205被引入活性反應(yīng)器部分201中，并將冷進料氣流207送入反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分202中。優(yōu)選地，將二次冷進料氣流208送入氮氣產(chǎn)物冷卻器部分200中。離子遷移反應(yīng)器-冷卻器管210橫過反應(yīng)器-冷卻器的所有部分200、201和202。離子遷移反應(yīng)器-冷卻器管210在該裝置的上端通過軸封或帶有風(fēng)箱的固定密封的方法連接到管板211上，和在該裝置的底部連接和密封到管板212上。如前所示，因為管板212將處于小于300℃的溫度下，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)來實現(xiàn)反應(yīng)器-冷卻器管210對管板212的連接。類似地，絕熱體(未顯示出)使該裝置的含有結(jié)構(gòu)壓力的的壁206隔熱。如前面圖所示，在該裝置的反應(yīng)器部分201和冷卻器部分200和202中可以使用相同的管210，并且可以按照上面討論的那樣構(gòu)造。反應(yīng)器-冷卻器管210的中心部分210a只需要有活性離子遷移隔膜。如前所示，可以使用由在反應(yīng)器部分201中的多孔的承載管和混合導(dǎo)體膜和在冷卻器部分200和202中的密封膜組成的復(fù)合管。
進料氣流205流過由擋板214控制的隔層管215的外表面，并通過與隔層管215進行熱交換而加熱，以及流入在反應(yīng)器-冷卻器管210的外表面與隔層管管215的內(nèi)表面之間形成的同心的環(huán)形通道216中，隔層管215稍微伸出反應(yīng)器部分210，進入該裝置的反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分202中。反應(yīng)氣流218例如甲烷沿著反應(yīng)器-冷卻器管210流動，和一旦離子遷移管表面已經(jīng)達到離子遷移管的工作溫度，它就與從進料氣流205通過反應(yīng)器-冷卻器管210滲透的氧氣反應(yīng)在管210內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物氣流221。如果反應(yīng)氣流218由甲烷或另一種烴組成，如果有過量的燃料或氧氣，如果該過程是在缺燃料的情況下進行，那么反應(yīng)產(chǎn)物氣流221主要是二氧化碳和水，燃燒的正常產(chǎn)物，和未反應(yīng)的燃料。反應(yīng)氣流218與滲透的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的熱通過對流和輻射的方法從反應(yīng)器-冷卻器管210傳遞到隔層管215。同時，由擋板214控制的冷進料氣流207在該裝置的反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分202中流動，在反應(yīng)器-冷卻器管210的內(nèi)部冷卻該氣流，所獲得的處于高溫下的氣流與進料氣流205一起流入同心環(huán)形通道216中。因此，反應(yīng)產(chǎn)物氣流通過冷進料氣流207的流動而冷卻，并從產(chǎn)物出口222排出該裝置。在高壓下的缺氧(氮氣)產(chǎn)物氣流220也可以被回收。如果是這種情況，最好使用任意的第二種冷進料氣流208用與反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分202相同的方法冷卻在氮氣產(chǎn)物冷卻器部分200中的氣流。
圖6是表示固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體反應(yīng)器-冷卻器的基本方案的本發(fā)明的另一種具體方案的示意圖。如圖1A所示，包含元素氧的進料氣流被壓縮并分成至少兩部分送入反應(yīng)器-冷卻器裝置中。在運行的過程中，進料氣流233被引入活性的反應(yīng)器部分231中，并將冷卻的進料氣流234送入反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分232中。優(yōu)選地，將第二種冷進料氣流235送入氮氣產(chǎn)物冷卻器部分230中。離子遷移反應(yīng)器-冷卻器管236延伸通過該反應(yīng)器-冷卻器的反應(yīng)器部分231和冷卻器部分232。該裝置采用三種同心管連接到頂部管板241上并在分離器部分231的底部開口的隔層管240，在頂部封閉并連接到中間管板237的離子遷移反應(yīng)器-冷卻器管236，和在頂部開口且連接到下部管板239上的內(nèi)部進料管238。如前所示，因為管板237、239和241將處于小于300℃的溫度下，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的連接技術(shù)來實現(xiàn)所需要的連接。類似地，絕熱體(未顯示出)使該裝置中的含結(jié)構(gòu)壓力的的壁242隔熱，從而允許使用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)材料。如前面圖所示，在該裝置的反應(yīng)器部分231和反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分232中可以使用相同的管236，并且可以按照上面討論的那樣構(gòu)造。反應(yīng)器-冷卻器管236的頂部236a只需要有活性離子遷移隔膜。
進料氣流233流過由擋板243控制的隔層管240的外表面，并通過與隔層管240進行熱交換器而加熱，以及流入在反應(yīng)器-冷卻器管236的外表面與隔層管240的內(nèi)表面之間形成的同心的環(huán)形通道244中。隔層管240稍微伸出反應(yīng)器部分231，進入該裝置的反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分232中。任選地用水蒸氣稀釋的反應(yīng)氣流245例如甲烷，沿內(nèi)部進料管238向上流動，沿著在反應(yīng)器-冷卻器管236的內(nèi)表面與隔層管240的外表面之間形成的同心的環(huán)形通道246向下流動，與從進料氣流233通過反應(yīng)器-冷卻器管236滲透的氧氣反應(yīng)，在管236的內(nèi)部產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物氣流247。如果反應(yīng)氣流245由甲烷或另一種烴組成，如果有過量的燃料或氧氣，如果該過程是在缺燃料的情況下進行，那么反應(yīng)產(chǎn)物氣流221主要是二氧化碳和水，燃燒的正常產(chǎn)物，和未反應(yīng)的燃料。反應(yīng)氣流245與滲透的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的熱通過對流和輻射的方法從反應(yīng)器-冷卻器管236傳遞到隔層管240。同時，由擋板243控制的冷進料氣流234在該裝置的反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分232中流動，在反應(yīng)器-冷卻器管236的內(nèi)部冷卻該氣流，所獲得的處于高溫下的氣流與進料氣流233一起流入同心環(huán)形通道244中。因此，反應(yīng)產(chǎn)物氣流通過冷卻的進料氣流234的流動而冷卻，并從產(chǎn)物出口248排出該裝置。在高壓下的缺氧(氮氣)產(chǎn)物氣流249也可以被回收。如果是這種情況，最好使用任選第二中冷進料氣流235用與反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器部分232相同的方法冷卻在氮氣產(chǎn)物冷卻器部分230中的氣流。
圖8說明了使用本發(fā)明的反應(yīng)器-分離器-冷卻器模塊300的完整的氧氣／氮氣分離循環(huán)的簡單性。用壓縮機260壓縮進料氣流260(通常為空氣)，獲得壓縮的氣流264。將壓縮的氣流264分成主的進料氣流268和次進料氣流266。在冷卻器270中冷卻次進料氣流266，然后繼續(xù)通過閥門272。冷卻的氣流274被引入粒子遷移模塊300的冷卻器部分271中。主進料氣流268通過閥門301變成主氣流299，該氣流被引入到粒子遷移反應(yīng)器300的反應(yīng)器部分273中。在一個具體方案中，氣流286是反應(yīng)氣流，且通過氣流286與在離子遷移模塊300的反應(yīng)器部分273中粒子遷移隔膜陽極側(cè)的氧氣反應(yīng)，在粒子遷移模塊300的反應(yīng)器部分273中將主氣流299加熱到大約900℃。在另一個具體方案，氣流286是不反應(yīng)的稀釋劑氣流，該氣流被用來沖洗離子遷移模塊300中反應(yīng)器部分273和分離器部分275的粒子遷移隔膜的陽極側(cè)。由逆流的陽極產(chǎn)物流提供加熱進料氣流274的能量。
圖8說明的系統(tǒng)實際上利用了由反應(yīng)驅(qū)動的脫氧階段273和由壓力驅(qū)動的氧氣分離階段275，后者由包括物質(zhì)如水(如水蒸氣)和二氧化碳的吹掃燃燒產(chǎn)物來增強的。離開離子遷移模塊300的兩種氣流是包含氧氣、二氧化碳和水的冷卻的低壓氣流284，和高壓和高溫的氮氣產(chǎn)物流276。
用冷卻器302將包含氧氣、二氧化碳和水蒸氣的低壓氣流284冷卻，產(chǎn)生氣流303。用冷凝器304將包含在氣流303中的大部分水冷凝產(chǎn)生水流305和主要包含氧氣和二氧化碳的氣流306。將氣流306送到下游由隔膜、吸附或吸附工藝構(gòu)成的的分離的過程。水流305可以作為水蒸氣312排出，或可以變成水流307，用水泵308將該水流抽出變?yōu)樗?09。水流309通過熱交換器307，用氣流282加熱變成水蒸氣，即氣流310。氣流310任選地被分成氣流311和氣流313。如上所述，將或者反應(yīng)的或不反應(yīng)的氣流286送到離子遷移模塊300的反應(yīng)器部分275中。
氮氣產(chǎn)物流276任選地被分成氣流277(虛線所示)和氣流323。如果產(chǎn)生的氣流277與任選地氣流311連接(虛線所示)，從氣流310變?yōu)闅饬?79。氣流279和反應(yīng)氣流320被送入燃燒器321中燃燒產(chǎn)生氣流322。氣流322與氣流323結(jié)合產(chǎn)生氣流324。在一個具體方案中的氣流324在氣體渦輪280中膨脹或可以用Rankine循環(huán)蒸汽系統(tǒng)回收熱能。該Rankine循環(huán)蒸汽系統(tǒng)具有更多的復(fù)雜性，但其優(yōu)點是在壓力下傳遞產(chǎn)物氮氣。在所示的使用氣體渦輪280的具體方案中，通過在熱交換器307中加熱水蒸氣305，在渦輪廢氣氣流282中有足夠的熱來產(chǎn)生水蒸氣氣流310，從而進一步增加離子遷移模塊300中的氧氣流量，如上所述。氣流282通過熱交換器307變成氣流283。氣流283通過冷卻器330變成氣流329，其通常被排出。
圖9說明了離子遷移反應(yīng)器-冷卻器被集成到本發(fā)明的氣體渦輪循環(huán)中。進料氣流350例如空氣，在壓縮機352中壓縮后分成主的進料氣流356和次進料氣流355。主進料氣流355通過358產(chǎn)生氣流360，將該氣流360引入分離器-冷卻器模塊400的冷卻器部分361中，并加熱和作為氣流368排出分離器-冷卻器模塊400。
主進料氣流356任選地分成氣流364和氣流404。加入燃料氣流364產(chǎn)生氣流366之后，在燃燒器362中將氣流364加熱到粒子遷移隔膜的工作溫度(大約900℃)。粒子遷移反應(yīng)器或外部燃燒加熱器可以取代燃燒器362而不影響系統(tǒng)的功能。氣流404通過任選的熱交換器407產(chǎn)生熱氣流403，該氣流與氣流366連接產(chǎn)生氣流367。將優(yōu)選的反應(yīng)氣流405加到氣流367中產(chǎn)生氣流370。將氣流368加到氣流370中產(chǎn)生氣流372，其被引入到分離器-冷卻器模塊400的分離器部分363中，其中使用離子遷移管367除去氧氣365。
在通過分離器-冷卻器模塊400的分離器部分263中離子遷移隔膜367除去包含在氣流372中的部分氧氣365之后，氣流380排出分離器-冷卻器模塊400，并在加入燃料氣流384以后，在燃燒器383中加熱到渦輪入口溫度。在渦輪388中，所得到的氣流386膨脹形成渦輪廢氣氣流420。氣流420任選地被分成氣流402和氣流421。產(chǎn)生的氣流402，通過熱交換器407產(chǎn)生氣流406。將氣流406加到氣流421中，產(chǎn)生氣流426。
在所示的情況中，如下文所述用Rankine水蒸氣循環(huán)410回收廢棄的熱。在大約150-300℃的溫度下氧氣產(chǎn)物氣流401排出分離器-冷卻器模塊400的冷卻器部分361。如果溫度允許，用Rankine水蒸氣循環(huán)410回收包含在產(chǎn)物氧氣氣流401和渦輪廢氣氣流426中的一些熱量?？梢允褂猛鲹Q熱器代替Rankine水蒸氣循環(huán)410回收包含在渦輪廢氣氣流426和氧氣產(chǎn)物氣流401中的過量的熱。然后用冷卻器414將氧氣氣流411冷卻，產(chǎn)生氧氣氣流415，該氣流被壓縮機416壓縮產(chǎn)生氧氣氣流417，其作為產(chǎn)物回收。
如上所述，可能選擇不同的固體電解質(zhì)離子導(dǎo)體材料用于反應(yīng)器和分離器中，以提供最佳的壽命。反應(yīng)器選擇的材料在低壓下應(yīng)該具有最大的穩(wěn)定性，例如表Ⅰ列出的含鉻的鈣鈦礦，而氧氣分離的選擇的材料應(yīng)該是那些在高氧氣分壓下具有高離子傳導(dǎo)率的材料。
本發(fā)明的詳細特點在一個或多個附圖中方便地表示出，按照本發(fā)明，每個特點可以與另一個特點結(jié)合。另外，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，結(jié)合給出的實施例可以作出各種變化和改進。對本領(lǐng)域熟悉的人員將認識到可替代的具體方案，它們將包括在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種生產(chǎn)氧氣氣流或富氧氣流和缺氧氣流的方法，其首先從包含元素氧的進料氣流中分離出氧氣，然后在同一個裝置內(nèi)冷卻由此獲得的氧氣氣流或富氧氣流。該裝置有一個分離器部分和冷卻部分以及氧氣產(chǎn)物出口，其中分離器部分包括具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜。所說的方法包括步驟(a)將進料氣流壓縮；(b)將壓縮的進料氣流分成主氣流部分和次氣流部分；(c)加熱主氣流部分；(d)將加熱的主氣流部分引入該裝置的分離器部分；(e)將次氣流部分引入氧氣產(chǎn)物出口附近的該裝置的冷卻部分；(f)通過分離器部分的離子遷移隔膜從加熱的主氣流部分中除去氧氣，在隔膜的滲透側(cè)得到熱的富氧氣流而在隔膜的滯留側(cè)獲得缺氧氣流；和(g)將熱量從富氧氣流中傳遞到次氣流部分，產(chǎn)生氧氣氣流或富氧產(chǎn)物氣流和加熱的次氣流部分，其中將次氣流部分或排出該裝置，或在加熱的主部分氣流部分引入該裝置的分離器部分之前與加熱的主氣流部分結(jié)合，其中將缺氧氣流排出該裝置。
2．權(quán)利要求1的方法，其中還包括反應(yīng)器部分，它包括具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜，其中反應(yīng)氣流被引入該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜的滯留側(cè)，與在離子遷移隔膜的滯留側(cè)附近通過離子遷移隔膜滲透的第二氧氣氣流反應(yīng)，產(chǎn)生用于吹掃該裝置中分離器部分的離子遷移隔膜的滲透側(cè)的氣流，和其中反應(yīng)產(chǎn)物氣流和第一氧氣氣流與來自第二氧氣氣流的未反應(yīng)的氧氣結(jié)合作為富氧氣流排出該裝置，其中缺氧氣流單獨排出該裝置。
3．按照權(quán)利要求2的方法，其中該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜和該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜整體形成。
4．按照權(quán)利要求3的方法，其中該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜包括多孔的載體，且由在高氧氣分壓下具有高氧氣傳導(dǎo)率的離子遷移材料組成，而該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜由在低氧氣分壓下具有最佳穩(wěn)定性的混合導(dǎo)體材料組成。
5．按照權(quán)利要求3的方法，其中該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜和該裝置的分離器部分的離子遷移隔膜與將富氧氣流運載通過該裝置的冷卻器部分的導(dǎo)管整體形成。
6．按照權(quán)利要求5的方法，其中將富氧氣流運載通過該裝置的冷卻器部分的導(dǎo)管是金屬管，且通過焊接或釬焊接頭的方法連接到該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜上。
7．按照權(quán)利要求5的方法，其中將富氧氣流運載通過該裝置的冷卻器部分的導(dǎo)管由致密的密封材料組成，其通過焊接或釬焊接頭的方法連接到該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜上。
8．按照權(quán)利要求2的方法，其中在反應(yīng)氣體引入該裝置的反應(yīng)器部分之前加熱。
9．按照權(quán)利要求1的方法，其中反應(yīng)器部分包括反應(yīng)器部分，且步驟(f)包括將反應(yīng)氣流引入到離子遷移隔膜的滲透側(cè)與至少部分遷移的氧氣反應(yīng)。
10．一種生產(chǎn)富氧氣流和缺氧氣流的方法，其在同一個裝置內(nèi)從包含元素氧的進料氣流中分離出氧氣，該裝置有一個反應(yīng)器部分和一個分離器部分，其中各個反應(yīng)器部分和分離器部分包括至少一種具有滯留側(cè)和滲透側(cè)的離子遷移隔膜，所說的方法包括步驟(a)將進料氣流壓縮；(b)將壓縮的進料氣流引入該裝置和從反應(yīng)產(chǎn)物氣流中將熱量傳遞到進料氣流中；(c)通過從該裝置的反應(yīng)器部分的離子遷移隔膜遷移通過，從加熱的進料氣流中除去氧氣，在隔膜的滲透側(cè)生成反應(yīng)產(chǎn)物氣流，而在隔膜的滯留側(cè)生成部分缺氧氣流；和(d)在該裝置的分離器部分中通過離子遷移隔膜的遷移從部分缺氧氣流中除去其余的氧氣，在隔膜的滯留側(cè)生產(chǎn)缺氧氣流；其中將反應(yīng)氣流引入該裝置反應(yīng)器部分中離子遷移隔膜的滲透側(cè)，與位于隔膜滲透側(cè)附近的遷移通過離子遷移隔膜的氧氣反應(yīng)，生成用于吹掃該裝置分離器部分中離子遷移隔膜的滲透側(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物氣流；和其中反應(yīng)產(chǎn)物氣流與未反應(yīng)的遷移氧結(jié)合為富氧氣流排出該裝置，其中缺氧氣流單獨排出該裝置。
全文摘要
一種生產(chǎn)氧氣氣流、富氧氣流或作為滲透氣流的反應(yīng)產(chǎn)物氣流和缺氧滯留氣流的方法,其首先從進料氣流中分離出氧氣,然后至少冷卻滲透氣流。該滲透氣流的生產(chǎn)和冷卻發(fā)生在具有至少一種離子遷移隔膜的同一裝置中。
文檔編號B01D53/22GK1205911SQ98115109
公開日1999年1月27日 申請日期1998年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月28日
發(fā)明者C·F·高茨曼, R·普拉薩德 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司