使用陶瓷膜和再生爐的氣體分離法的製作方法
2023-05-31 16:58:06
專利名稱：使用陶瓷膜和再生爐的氣體分離法的製作方法
技術領域：
本發明涉及應用至少一個再生爐和至少一個陶瓷膜的組合來從氣體混合物中生產出高純度的氣體組分流的、分離氣體組分的系統和相應的方法。具體地說，本發明的一個優選實施方案涉及從空氣流中或從含有氧雜質的高純度氮或氬中生產出高純度氧流的能效高、效益高的方法。
背景技術：
從含氧氣流中分離出氧是在很多重要的工業生產操作中的一個工藝步驟。一種分離氧的方法是利用混合導體陶瓷膜材料(有時也稱為「氧離子傳輸膜」或「(OTM)」、或「離子/混合導體膜裝置」)。氧離子和電子會選擇性地通過該無孔的陶瓷膜材料而傳輸，而該膜對其它物質是不能透過的。
適用的陶瓷包括混合導體鈣鈦礦和雙相金屬-金屬氧化物的組合。示例性的陶瓷組合物已在下列專利中被公開美國專利5,342,431(Anderson等)；5,648,304(Mazanec等)；5,702,999(Mazanec等)；5,712,220(Carolan等)；以及5,733,435(Prasad等)。所有這些參考文獻都將被全文引入本說明書作為參考。
由固體電解質和混合導電氧化物構成的陶瓷膜，都典型地展示出具有氧選擇性的特性。「氧選擇性」是指該膜只能傳輸氧離子，而排斥其它元素和離子。特別有利的固體電解質陶瓷膜是用無機氧化物、通常含有用鈣-或釔-穩定了的鋯的氧化物或類似的具有熒石或鈣鈦礦結構的氧化物製成的。在題為「固體電解質膜氣體分離中的反應吹洗」的(Prasad等)美國專利5,733,069中描述了這種膜在氣體淨化中的使用，該專利的全文也將以參考文獻的形式引入本說明書中。
陶瓷膜材料能在氧分壓佔優勢、溫度範圍為450℃至約1200℃下、當跨過膜元件保持著化學勢差的情況下，具有傳輸氧離子和電子的能力。這種化學勢差是藉助於在離子傳輸膜兩邊保持氧分壓的正比率或電勢梯度而建立起來的。在暴露於含氧氣體的膜的陰極面，將氧分壓(P02)或電勢梯度保持在比回收或使用傳輸過來的氧的陽極面更高的值。
為生產高純度氧的空氣分離中使用的陶瓷膜，要求原料氣在被引入膜裝置以前升到高溫(800℃至1000℃)。
很多現有的用陶瓷膜進行空氣分離的系統，是靠燃燒來把原來氣加熱到膜的工作溫度。典型的是在原料氣中混入燃料氣體並將此混合氣加以燃燒。該燃燒熱足以提高全部空氣流的溫度。另一種方法是，利用陶瓷膜本身內部的傳熱面積、或利用單獨的熱交換器，藉助於從離開裝置或配合使用的燃氣輪機的氣流中回收能量來使原料氣流加熱。
用燃燒的方法來加熱原料空氣有著若干缺點。首先，原料空氣中的一部分氧氣被消耗掉了，因此會降低對膜裝置的分壓驅動力。第二，燃燒會在原料空氣流中加進不希望有的CO2和水蒸氣。第三，必須在工藝過程中納入某些從熱的廢氮氣流中回收熱能和壓能的設備。廢氮氣流的流量率約佔原有原料空氣的85％。雖然熱的廢氮可在燃氣輪機中加以膨脹，但此事看似簡單，實則陶瓷膜裝置的工作溫度、從而熱廢氣的溫度是超出這種渦輪機的實際限制的。
利用膜內部的傳熱面積來使原料氣加熱也有缺點。例如，它大大增加膜結構的成本和操作費用，對絕大多數商業應用來說都因費用過高而難於採用。若用傳統的熱交換器，通常也是因原料氣要升溫超過200～300℃而費用過高，其原因是這種設備的內部傳熱不佳。當要求很高的溫度時，這一額外費用還會大大增加，因為這時需要用到外國的結構材料以耐受高溫和壓力並存的情況。
在下列參考文獻中，對膜系統所用的給原料空氣流加熱的現有技術系統的具體實例有所描述歐洲專利申請658,366(Kang等)描述了一種從空氣中回收氧的方法，它把高溫離子傳輸膜系統與燃氣輪機系統結合成整體。在一種實施方案中實現了氧和電力的聯合生產，它是把發電系統與離子傳輸膜系統結合成整體來實現的。它藉助於往沒有透過膜的氣流中有控制地注水，來保持發電系統中燃氣輪機的設計性能，該被注水的氣流被引導進入燃氣輪機的燃燒室中。另一種方法是把補充空氣加入膜原料氣中，來保持燃氣輪機的性能。藉助於將氧貧化的來透過氣體從膜系統導入燃氣輪機燃燒室，可減少NOX的形成。該項已出版的歐洲專利申請雖採用了熱交換器和注水來控制溫度，但它沒有提到用再生爐來控制溫度。
美國專利5,035,727(Chen)描述了一種從外燃式發電燃氣輪機系統回收氧的方法，其中，首先將熱的壓縮空氣流送到固體電解質氧選擇性膜的輸入面上方，同時在膜上保持正的氧離子電位，以從該氣流中分離氧。從膜的透過物一面把氧取走，並將廢氣流通過渦輪膨脹機進行膨脹來發電。該專利講到了利用熱交換器來控制工作氣流的溫度，但沒有提及利用再生爐來控制溫度。
美國專利5,174,866(Chen等)介紹了一種從燃氣輪機的廢氣流中提取高純度氧的方法，它是藉助於把渦輪廢氣送到固體電解質膜的輸出面上方(該膜是選擇通過氧的)來從廢氣流中分離氧。然後從膜的透過物一面將氧產品氣流取出。然後再把要捨棄的廢氣流通過發電渦輪機以回收淨功率。這項專利沒有在系統中用再生爐，而用了熱交換器。
美國專利5,797,997(Noreen)描述了一種可有多種用途的將空氣/燃料混合物轉變成氧的熱光電(TPV)系統。該系統通過在空氣中燃燒礦物燃料能高效地產生出氧並發電，而很少或不產生氮的氧化物或其它不希望有的燃燒副產品。在燃燒空氣/燃料比大於3∶1的反應劑時，燃燒溫度保持在約1700℃或其以下。來自燃燒產物的熱量可被再循環並回收，而毋須擔心燃燒溫度過度增高以及隨之而來的燃燒室/散熱器毀損。所產生的氧可收集起來供商業應用，也可返回導入TPV系統。使用了一個內存有多孔陶瓷基塊的隔熱外殼，它具有支持反應劑混合物燃燒的燃燒區，燃燒區還隨著燃燒的進行發射輻射能。使用熱回收系統來回收燃燒熱並預熱反應劑混合物。設有一個用來將發出的電傳輸到膜上以分離氧的裝置。熱回收系統與多孔陶瓷膜是結成整體的。該項專利在系統中沒有使用單獨的用來預熱和作熱回收的再生爐。
美國專利5,852,925(Prasad等)介紹了一種生產氧和發電的方法，其中(1)首先將壓縮的合氧氣流在熱交換器中加熱使之預熱到約300℃至約800℃，然後送入燃燒室；在此與燃料一起燃燒。然後將此燃燒過的壓縮氣流與固體電解質膜接觸以產生出貧氧的壓縮氣流和純氧氣流。該貧氧氣流又被進一步燃燒然後在燃氣輪機中膨脹以發電。該項專利沒有提及利用再生爐來控制溫度。
本發明試圖解決現有技術各種方法存在的問題，在這些方法中，或是用燃燒來使往膜去的原料氣加熱，或是把傳熱表面積建造在膜內，或是採用傳統的熱交換器。
另一方面，在鋼鐵工業和深冷空氣分離工業中則使用了再生爐。現有再生爐的運用實例包括以下數端在「鋼的製造、成型和處理」(美國鋼鐵，第十版，美國鋼鐵工程師協會，第557～585頁)一案中，討論了利用在高溫下運轉的再生爐，來預熱用於煉鋼鼓風爐的鼓風空氣。
美國專利2,671,324(Trumpler)介紹了在深冷空氣分離廠運用再生爐的問題。
這些現有技術對再生爐的應用，沒有設想或建議過將再生爐與任何類型的選擇性陶瓷膜共用的問題。
發明概述因此，本發明的一個方面是要開發出一種從氣體混合物中分離出高純度氣體組分的系統，它包括含有該氣體混合物的原料氣流；至少一個能給至少一部分原料氣流加熱的再生爐；以及至少一個能從被加熱的原料氣流的氣體混合物中，分離出氣體組分的選擇性陶瓷膜，藉此形成高純度的氣體組分。
本發明的另一個方面是要研究出一種方法，以便從氣體混合物中分離出高純度的組分，該方法包括將至少一部分含有氣體混合物的原料氣通過至少一個再生爐以形成加過熱的原料氣流；以及將加過熱的原料氣流通過至少一個選擇性陶瓷膜以從加過熱的原料氣流中分離出一種氣體組分，從而形成高純度的氣體組分和廢氣流。
本發明的系統和方法的一個優選實施方案是利用至少一個再生爐來加熱空氣流，隨後將此加過熱的空氣流通過混合導體陶瓷膜，以從該空氣流的其它氣體組分中分離出氧，利用這樣的組合來從空氣流中分離出高純度的氧流。
本發明的另一個優選實施方案除利用再生爐以外，隨後再任選一個加熱手段，來進一步把原料空氣的溫度提高到混合導體陶瓷膜所要求的水平。任選的加熱手段包括或是把加過熱的氣流與燃料氣體如天然氣一起燃燒，或是把原料氣與一氧化碳-氫混合物(氣化的煤)一起燃燒，或是用電氣加熱。
電氣加熱是優選的，因為它不發生燃燒，因此不會降低膜的分壓驅動力，並且不會向原料氣流中引入燃燒副產品。
在另一個優選實施方案中，藉助於利用熱廢氣預熱原料氣流來回收其中的熱能。實現方法是，用熱廢氣來使再生爐內裝填的碴塊材料加熱，然後再讓原料空氣通過再生爐。廢氮氣流中的壓能和一些殘餘的熱能則用安裝在再生爐下遊的傳統熱氣膨脹機使之膨脹而加以回收。
附圖簡述附
圖1為說明本發明再生爐/混合導體陶瓷膜組合系統的簡圖。
圖2為說明本發明可選擇使用的裝在再生爐內部的加熱裝置的簡圖。
圖3為說明本發明另一種再生爐/混合導體陶瓷膜組合系統的簡圖。
發明詳述本說明書和權利要求書所用的術語「原料氣流」，是指含有某種可分離氣體組分的任何原料氣流，只要將該原料氣流通過能選擇性地通過該特種氣體組分、而不讓別的氣體組分通過的陶瓷膜，就可把該氣體組分分離出來。優選的原料氣流是空氣，而優選的可選擇分離的氣體組分是氧。其它適宜的原料氣流包括含有小量氧雜質的(例如佔體積的約0.001％至約20％)高純度氮氣或氬氣流。在後一種情況下，在膜的滯留物一面或陰極面上可得到高純度的氮或氬(即低氧)氣流。在膜的透過物一面或陽極面上，從原料氣流中分離出來已透過膜的氧，可用吹掃氣體例如蒸氣來吹洗，以保持低的氧分壓。也可以將燃料加入到透過物一面使氧氣燃燒，以有效地保持氧的濃度為零。
術語「再生爐」是指在交替的周期中，能貯存和釋放足夠量的熱能，來充分地為選擇性陶瓷膜的原料空氣流加熱的任何再生爐結構。一種優選的單通道再生爐設計，可使原料氣流向上流動，而另一方面，可使高壓的廢氣流反向地向下流動。對一個日產250噸氧的工廠來說，這種優選的再生爐為圓柱形，外徑為8～10英尺，高為8～20英尺。這種優選的再生爐內裝有足夠數量的傳熱材料，來貯存熱能，用以給原料氣流加熱。優選的傳熱材料為陶瓷團塊，做成尺寸各異的球狀體。尺寸可在直徑0.125英寸至1英寸之間變動。優選的床的布置是，在再生爐的主要圓柱區內，下面是0.125英寸團塊的4英尺高的床，上面是0.25英寸團塊的10英尺高的床。再生爐圓柱體的頭部和端部可填充一層1英寸或0.5英寸直徑的團塊球，其目的是作流量分布。
本發明的再生爐優選在等壓下運轉。亦即，周期中一個衝程(例如在原料氣流向上通過再生爐進行加熱時)的工作壓力，與周期中交替衝程(例如在廢氣流向下通過再生爐進行冷卻時)的壓力相同，區別僅是在管道和設備中有小的壓差。因此，在兩個周期間基本上就沒有附帶的熱損失放出。
本發明的再生爐有利的地方是對原料氣流或廢氣流都可不要求濾清或提純。另外，本發明所使用的再生爐在爐身全長上可以以同一的流量來運轉。本發明的再一個優點是再生爐能與選擇性陶瓷膜結成一體而毋須延伸的管道或閥門。
術語「選擇性陶瓷膜」是指能讓一種氣體選擇性地透過膜、因而能從氣體混合物中的其它組分中分離出來的任何陶瓷膜。優選的選擇性陶瓷膜類型是混合導體陶瓷膜，它是用來從其它氣體中分離出氧的。
術語「混合導體陶瓷膜」是指任何陶瓷膜結構或任何離子性/混合導體膜結構，或者任何等效的膜結構，但要能將不純的含氧氣流(例如空氣)轉換成氧透過物的氣流。氧透過物氣流通常是純氧或高純度氧，定義為含有至少95體積％的氧，更優選含有約99體積％的氧的氣體。
本發明可使用任何混合導體陶瓷膜。特別適宜的是前述參考文獻中所公開的混合導體鈣鈦礦和雙相金屬/金屬氧化物的組合。使用薄而堅固的、具有很高氧流通量的膜，也可使用足夠強度的管子以保持合格的可靠性，這也是優選的辦法。最優選的是讓吹掃氣流在管子的內部流通，而讓空氣在管外流通。本發明還可用管子、平板或其它的膜結構來實施。對某些用途來說也可能要求在管內裝填催化材料或惰性材料，以進一步改進透過膜的氧流與吹掃氣流之間的反應，或者只是單純地為了改進質量傳遞。雖目前不算優選的方法，但也可能在某些用途方面需要在膜材料上塗上多孔的塗層之類，以增大其表面積或改進其傳質能力。本發明可採用任何造型的膜裝置，只要它能應用本發明的反應性吹掃氣流就行。這樣的膜裝置可包括商用催化去氧和氮生產裝置。
另一個利用氧分離膜的實施方案，是催化去氧膜裝置。這些裝置在商業上是用來純化含有通常1％至2％氧和高體積百分比的氬和其它惰性氣體的氣流。用這種裝置，可藉助於在混合導體陶瓷膜的陰極面通入氣流，以除去相當大量的氧，以此來從含氧氣流中除去氧(亦即催化去氧傳遞)。此外，氮生產裝置在商業上是用來生產基本上全部是氮、但含有極少或不合氧的氣流。含有過多的氧(0.001～10％)的不純氮氣可被通入膜的陰極面，並在這裡除去絕大部分的氧。據此，本發明的附加優選實施方案，是利用不純的氬或不純的氮氣流或任何不純氣流(其中含有少於20體積％的氧)作為第一氧源。在此情況下，在通入膜的陰極面後所得到的純淨的氬或氮氣流，其本身就是有用的。
混合導體陶瓷膜可包括任何能選擇性地導通氧離子的材料。下表給出這種材料的若干例子。表I混合導電固體電解質
本發明的膜的工作參數(例如溫度和壓力)與通常在其它氧淨化方法中所用膜裝置的工作參數相似。適宜的工作溫度可包括從約450℃至約1200℃，適宜的工作壓力可包括從約15至約450磅/平方英寸。最佳的溫度和壓力取決於特定的膜材料以及含氧氣源中的含氧量等多種因素。同時，膜的最佳工作條件還可能需要根據所用吹掃氣體的種類來調節。應該承認，本發明的方法的總的最佳工藝條件還可能取決於氧貧化氣流和透過的氧兩者或兩者之一的最終用途。在這方面，為了取得總的最佳結果，可能會導致採用對膜或再生爐兩者或兩者之一來說是次佳的工作條件。
在某些應用中，可能需要在膜的陽極面加入蒸氣或某些另外的含氧氣種，以加大吹掃氣流的氧活性，避免在膜內發生結構性應力，而同時又仍能保持跨膜的氧活性梯度來推動氧離子傳輸通過膜。在陽極面上加入蒸氣，可能對減少或消滅在陽極面附近表面上形成積碳有利，這是藉助於在該反應區內保持足夠高的溫度防止碳沉積來實現的。
圖1示出本發明的一個優選實施方案。外界空氣1在壓縮機100中被壓縮到約200磅/平方英寸的壓力。在從壓縮機100出來後，壓縮空氣2進入氧熱交換器102，在此它藉助於冷卻產品氧流19而被升溫。產品氧流20在流出熱交換器102後已被冷卻到非常接近輸入空氣2的溫度。
升溫的壓縮空氣3被從熱交換器102沿著管道5、閥41和管道28和25的路線導入兩個再生爐之一103。再生爐103內的碴塊材料事先已藉助於通過再生爐的熱廢氮氣體而被加過熱，廢氮氣的流通方向與現在空氣流入的方向是相反的。此時閥41開啟，而閥40關閉，因此只允許暖空氣3通過再生爐103而不是104。在離開再生爐103時，熱空氣流24的溫度通常比混合導體陶瓷膜裝置107的工作溫度只差100℃以內。在進入混合導體陶瓷膜裝置107以前，熱空氣流24可用多種加熱設備的任何一種105作進一步的加熱。這一加熱設備105可包括但不限於燃燒天然氣、燃燒如一氧化碳和氫或其它燃料混合物、或用電加熱。加熱將藉助於監視加熱設備105出口的空氣溫度來自動控制燃料流量以實現調節。
流出的熱空氣12從加熱設備105出來，並從一端進入混合導體陶瓷膜裝置107。陶瓷膜可以是任何構形的。對陶瓷膜裝置107內部的具體流動模式並無嚴格限定，因為本發明創新能以任何設計構形來工作而效果同佳。隨著熱空氣流過混合導體陶瓷膜裝置107，它就會變成貧氧氣流。氧從入口處通過陶瓷膜而進入對面的低分壓區，並作為產品氧流14從陶瓷膜裝置107的一端流出。一項需要但不是必須的選項，是在陶瓷膜裝置107從管14輸出產品氧的對面一端引入吹掃氣流200。該吹掃氣流200將可大大提高通過陶瓷膜的氧流量。產品氧被等量地轉送入管道15和16，然後同時並連續地流過兩個再生爐103和104內部設置的通道108和109，這通道可以是盤管，也可以是在碴塊材料中築就的孔道，流通方向則與原料空氣相反。在盤管中流動過程中，產品氧流即被冷卻。當在管17和18中流出再生爐103和104時，產品氧流就合併成氣流19。氧流19在氧熱交換器102中被進一步冷卻，並以氣流20作為外界溫度的產品氧流出。
被稱為熱氮廢氣流13的氧貧化氣體，在熱空氣流進入膜裝置107的另一端流出陶瓷膜裝置107。廢氮氣流13內含有足夠的剩餘氧來支持燃燒。當進入加熱設備106時，在熱廢氮氣13中被混入小的燃料流。該燃料與廢氮氣流中剩餘的氧起反應，從而使燃燒過的廢氣流9在加熱設備106的出口處的溫度比進入氣流13的溫度高100～200℃。流出氣流9的溫度藉助於一個溫度控制器(圖中未示)來控制，它調節進入加熱設備106的燃料流量或電能來實現控制。加熱可用多種方法中的任一種，燃燒任何燃料或用電加熱。
燃燒過的熱廢氮氣流9進入再生爐104。隨著它流過再生爐104，熱氮由於給再生爐內的碴塊材料加熱而冷卻下來。在再生爐104中的碴塊材料，先前已由於送空氣通過它而被冷卻，送空氣的方向與現在流通廢氮的方向相反。然後，已被冷卻的燃燒過的廢氮在管7和8和開啟的閥42中流過，此時閥43關閉。這樣就讓廢氮通過再生爐104，而不是再生爐103。有大量的熱能和壓能留存在管道7和8的氣流中。在通過開啟的閥42後，已冷卻的廢氮氣流被引導通過管道30，隨後進入管道29，而把它輸送入渦輪膨脹機101。這些能量在渦輪膨脹機101中被回收。渦輪膨脹機101優選與壓縮機100聯軸，這樣可使回收的能量直接為壓縮機100所用。另一種做法是，渦輪膨脹機可與發電機或任何能量吸收系統聯結。低壓的廢氮氣體以氣流31從膨脹機101放入大氣。
經過一個周期時間後，藉助於閥40、41、42、43和管道4、5、30、31的操作，兩再生爐內的氣流就逆向流動，以保持連續運轉。此時，熱的原料空氣流入陶瓷膜裝置107的方向也反過來。陶瓷膜裝置中氣流反向對本發明的動作並不是必須的，但這樣做可簡化管道和設備，因為這樣做後，在設備的熱端就不需要用閥門了。隨著每次循環更迭送氣方向逆向時，在再生爐的空氣分離端(熱端)就不再要求用閥門。這從操作和費用的角度來看都是很重要的優點。閥在高溫工作條件下重複循環中反覆動作，會造成嚴重的維修問題。應當指出，在一次循環變動中，再生爐只有很少的氣體洩出，因為再生爐在連續不斷的衝程中基本上是在等壓下運轉的。
再生爐103和104與可任選的加熱設備105和106結合的這一方案是獨一無二的，從以往的實踐中沒有明顯看到。
本發明開發出了給再生爐103和104加熱的新穎方法。原料空氣在氧熱交換器中被預熱後，通過兩個再生爐之一。在離開再生爐的熱端後，原料氣被加熱設備升溫到陶瓷膜分離氧所需的溫度。該加熱設備可以是在原料氣流中直接燃燒燃料，也可以是在熱交換器中依靠在另一面燃燒燃料而間接加熱，也可以是直接或間接地用電熱器加熱。加熱系統在陶瓷膜裝置的氧貧化面上完成。該流出氣體在進入第二再生爐的熱端以前，要通過一個相同的加熱設備。同樣，該加熱設備可以是直接燃燒的加熱器、或間接燃燒的加熱器，或者是電熱器。在燃燒燃料的情況下，燃燒需用的氧可從氣流本身獲得，也可另外從外界空氣中獲得。每個加熱器，一個在膜的輸入面，一個在膜的流出面，都能把每支氣流升溫100～200℃。在一個周期時間後，兩個再生爐中的氣流就逆向流動，以在系統中保持適當的工作溫度。用這一套結合再生爐與可任選的加熱設備的獨一無二的系統，就可在一開始把溫度提升到工作溫度，而後可以保持在連續運轉的要求溫度。
本發明所用的再生爐現前此用於深冷設施的再生器有重大的區別。在深冷設施中，高壓的原料空氣是在熱衝程中流過的，而低壓廢氣流是在冷衝程中變暖的。其送氣壓力與廢氣流壓力的壓比通常為3～8，更典型的是5。這一壓差有著若干重大的缺點1)在每次再生器轉換時會損失掉大量的壓縮空氣。延長循環時間可使該項損失達到最小，但是，這樣做對再生器傳熱性能是有害的。
2) 再生器需用若干秒鐘，有時需10～1000秒來重新加壓。在此期間沒有原料氣流入，這可能對下遊的設備產生重大的有害影響。
3)再生器的外部是一個壓力容器，恆壓循環對壓力容器有更嚴格的要求，這樣，它的外殼就要做得更厚、成本更高。
在本發明中，再生爐優選是在等壓下工作。送氣壓力與廢氣壓力之比通常將小於1.1，因此，深冷設施中的再生器帶來的缺點在這裡不成問題。
在深冷設施中的再生器通常也要求能起到原料空氣中的凝結雜質的作用，這些雜質主要是水和二氧化碳。於是廢氣流就使雜質蒸發/升華並把它們吹掃出再生器，以為下一次送氣作好準備。當在空氣和廢氣流之間的溫度差非常小時，這一自我清潔操作就只是偶然發生。在再生器全程流量不恆定時，常要求再生器內部具有平衡的通道。不能保持自我清潔操作就會由於過高的壓降而導致再生器故障。本發明的再生爐卻不受這種嚴格的約束。低於設計性能可藉助於在燃燒室內加入更多的加熱器、或是電加熱器或是燃料來加以調節。較不嚴格的傳熱要求加上兩股氣流都是高壓，這意味著本發明所用的再生爐，將比深冷設施中有著同樣熱功能的再生器要小很多，通常要小一半多。
最後，深冷再生器在冷端必須有閥門來把空氣導入圓柱形外殼。在本發明一個優選實施方案中，在熱端是沒有閥門的。這樣做的優點是，陶瓷膜事實上有潛力可以在兩個氣流方向中任一氣流方向下工作。這是一個重要的優越性，因高溫下使用的切換閥門是很昂貴的，而且隱藏著很大的操作困難。
再生爐的具體設計要視場地而定。如果高度限制是重要的，則可使用能提供大的傳熱面積和高壓降的較小直徑的小球。這樣做的結果是再生爐矮而粗。如果容器直徑是主要要注意的，則可用較大的小球，其結果是再生爐的結構高而細。
舉例說，按圖1的循環每天生產250噸氧的再生爐，其直徑可為9英尺，可有一個4英尺高的用0.125英寸小球的床和在其上面的10英尺高的用0.25英寸小球的床。較小的球位於再生爐的較冷區域，該區域的氣體密度最高。在床的上部和下部可以是大小不等的小球，尺寸在0.25英寸和1英寸之間。其主要目的是作流量分配。每個再生爐內的小球的重要約有40噸。每一循環周期的時間為3分鐘左右。但循環周期的時間可視具體系統的性能在寬廣的範圍內調整。
高溫運轉要求有特殊的材料。填料可用陶瓷小球。高鉻鋼可能用來製作再生爐容器。還可能需要為再生爐配備耐火的管線。初步估算可看出，投資和運營費比之標準的深冷制氧廠有顯著的節省。可望陶瓷膜-再生爐制氧廠的投資約需標準深冷制氧廠投資的三分之一。陶瓷膜-再生爐制氧廠的運營費也將低20％，因此總的評估是十分誘人的。
不應把再生爐與膜的結合運用僅限於氧的生產。這樣的結合運用可用於廣泛範圍的氣體產品和動力生產。
在本發明的另一個實施方案中，在一個或一個以上的再生爐的熱端可以裝備有催化床。這樣做可用來促進任何燃料和任何在廢氣流中殘餘的氧的反應。
圖2示出加熱設備與再生爐104結成一體的情況。熱廢氮氣流9在進入再生爐104的熱端時被與燃料流47混合。廢氮氣流9中殘餘的氧與燃料47反應後放出能量使廢氮氣流的溫度升高。再生爐104內的溫度藉助於溫度控制器48和閥49調節燃料的流量來進行調整。可以在再生爐的熱端(該部分離氣流9的入口處最近)配備一個催化床50，以促進天然氣或任何別的燃料與殘留氧的反應。有多種燃料適用於此，為丙烷、氫、一氧化碳或天然氣。加熱設備與再生爐結成一體可包括兩個再生爐。
陶瓷膜裝置的設計可以按其要求在膜的同一位置送入原料氣。這樣做的一個優點是加熱器105、106隻看到一種氣流(或是空氣或是廢氣)，這樣可使控制簡化。原料氣流不象再生爐循環那樣切換方向的工藝流程圖示於圖3，下面將加以討論。請注意該工藝流程圖要求有暴露於熱氣體的閥門，而原先的工藝流程圖中是不需要用熱氣閥的。
在圖3中，熱空氣流3的狀態一如圖1所述。暖空氣3通過管道5、28和25以及閥41被送入再生爐103。再生爐103中的碴塊材料已藉助於流過熱的廢氮氣體使其加熱，廢氮氣流的方向與現在暖空氣的流動方向相反。因此，現在閥40關閉，而閥41開啟，讓空氣渡過再生爐103。在離開再生爐103時，熱的原料空氣24，通過閥51，然後通過管道62和63而進到加熱設備105。加熱設備105把空氣流64的溫度升高約100℃～200℃。還可選擇將原料空氣流12的溫度藉助於用天然氣與殘留在空氣流中的氧在加熱設備105中反應來升高，或用電熱器來加熱。圖中示出用燃燒加熱的情況下在空氣進入燃燒室以前已被加入了燃料氣流300。從加熱設備105出來的氣體溫度是自動地監視和控制的。熱空氣流64進入陶瓷膜裝置107並被分離為高純度氧和廢氮。
熱的廢氮以氣流65流出陶瓷膜裝置107。象前述的一樣，廢氮氣流65中含有足夠的殘餘氧來維持燃燒。在進入加熱設備106時，熱的廢氮65中被混入小股燃料氣流301。燃料與廢氮氣流中殘留的氧發生反應，而使氣流66在加熱設備106的出口處溫度提高100℃～200℃。氣流106的溫度是自動控制的。然後熱廢氮氣流66進入管道67並通過閥44而被送入管道9。此時閥53是關閉的。隨後，管道9與再生爐104的熱端連接。系統的其餘部分象圖1中所描述的那樣動作。
已加入圖3中的閥44、46、51、53和管道61、62、67、68，使熱的原料氣不管是在哪個再生爐中加的熱，都經過管道64進入陶瓷膜裝置107的同一入口位置。與此相似，廢氮不管是用103或104哪個再生爐來加熱原料氣，也不管是在哪個特殊時刻，都是從同一個出口位置和管線65排出。圖3示出產品氧流14是從陶瓷膜裝置的同一個出口位置被排出的。氣流14被管道15和16分為體積大致相等的兩股而連續不斷地流過再生爐103和104中的盤管。再生爐的兩個盤管被連接到管道17和18，隨後合併成單股氣流19，該氣流在氧熱交換器102中被冷卻到外界溫度後，經管道20送出去消費。
在本發明的另一個實施方案中，一個或一個以上的再生爐，可在其熱端裝設催化床。催化床可用來促進任何燃料與任何殘留在廢氮氣流中的氧的反應。在已示出的實例中，再生爐內設有純淨產品的通道(通常為盤管)，以便從產品氣流中回收熱能。另外的辦法是，可用單獨的熱交換器來實施這一熱交換，而讓再生爐單純用於廢氣的熱交換。但是，相信把純淨產品的通道結合到再生爐內是能最有效地降低費用的方法，因為它可減少需要容器的個數，而容器結構材料的價格是很高的。
對已求出的工藝流程圖的另一項補充，是當需要用大量的吹掃氣流時，在此情況下，返回的熱氣流可用來給吹掃氣流加熱，也可在再生爐中單獨的通道內或在單獨的熱交換器內加熱。
最後，所述循環的最佳設計是有現場特性的，因為有潛在的可能既輸出動力又輸出蒸氣。藉助於本發明的運轉，空氣與廢氣之間的至少一部分熱交換是在再生爐內實現的。
本發明將利用下述實施例和比較來作進一步的詳細描述。除明確標明者外，所有的份額和百分比都按體積，所有的溫度都按攝氏度。
實施例下表給出了本發明每小時生產250,000標準立方英尺氧(約合每天250噸)的實施方案中各氣流的詳情。氣流編號參照圖3。在該實施例中，廢氣是與少量的天然氣一起燃燒的。空氣流在再生器與膜之間是不加熱的(氣流300的流量率為零)。同樣，也沒有用吹掃氣流(氣流200的流量率為零)。
雖然以上本發明已參照特定的實施方案做了描述，但很明顯，仍可做出很多的變動、改進和變通而不會脫離在此公開的發明概念。因此，在所附權利要求的精神和廣泛範圍之內，理應包涵所有這樣的變動、改進和變通。在本說明書中提到的所有專利申請、專利和其它出版物都作為參考文獻全文引入。
權利要求
1.一種從氣體混合物中分離出高純度氣體組分的方法，它包括將含有該氣體混合物的原料氣流通過至少一個再生爐，以形成加過熱的原料氣流；以及將至少一部分加過熱的原料氣流通過至少一個選擇性陶瓷膜，以從該加過熱的原料氣流的氣體混合物中分離出一種氣體組分；從而形成高純度的氣體組分和廢氣流。
2.權利要求1的方法，其中的氣體混合物是含氧氣體混合物。
3.權利要求2的方法，其中的含氧氣體混合物是選自空氣、含有約0.001％至約20體積％氧的高純度氮氣流、以及含有約0.001％至約20體積％氧的高純度氬氣流。
4.權利要求3的方法，其中的選擇性陶瓷膜是混合導體陶瓷膜。
5.權利要求1的方法，它另外還包括(i)在步驟(2)以後、步驟(3)以前，用如下的加熱手段進一步給加過熱的原料氣流加熱用燃料燃燒該加過熱的原料氣流、將該加過熱的原料氣流與加過熱的一氧化物-氫混合物合併、或用電氣加熱。
6.權利要求5的方法，其中外加的加熱是用電氣加熱。
7.權利要求1的方法，它另外還包括將廢氣組分送入再生爐，並利用該廢氣組分的熱能來使再生爐中的原料氣流加熱。
8.權利要求7的方法，其中將廢氣組分通過再生爐的步驟和將原料氣流通過再生爐的步驟都是在同一壓力下進行。
9.權利要求1的方法，其中加過熱的原料氣流是在約450℃至約1200℃的溫度下通過選擇性陶瓷膜的。
10.權利要求9的方法，其中加過熱的原料氣流是在約800℃至約1000℃的溫度下通過選擇性陶瓷膜的。
全文摘要
一種從原料氣流(例如空氣)中分離出高純度氣體(例如氧)的方法(和相應的系統),它包括在將加過熱的原料氣流通過陶瓷膜以從該氣流的其它組分中分離出一種氣體組分以前、對該原料氣流進行加熱。
文檔編號C01B13/02GK1341476SQ0113394
公開日2002年3月27日 申請日期2001年8月17日 優先權日2000年8月21日
發明者D·P·博納奎斯特, J·F·比林哈姆, J·M·施瓦茨, R·普拉薩德 申請人:普萊克斯技術有限公司