[发明专利]使用离子传输膜生产氧和氮的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年2月28日提交的标题为“Porcess and Apparatus for Producing Oxygen and Nitrogen using Ion Transport Membranes(使用离子传输膜生产氧和氮的方法和装置)”的美国临时专利申请序列号61/770,761的优先权，该临时专利申请以引用方式并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明根据气体产品和化学公司(Air Products and Chemicals,Inc.)与美国能源部之间的合作协议第DE-FC26-98FT40343号在政府支持下进行。美国政府对本发明享有一定权利。

背景技术

通过使用混合传导多组分金属氧化物膜，可以在高温下分离空气产生高纯度氧。这些膜通过氧离子的选择性传输来操作并可以描述为离子传输膜。离子传输膜中使用的混合传导多组分金属氧化物材料传导氧离子和电子二者，其中经传输的氧离子在膜的产物侧重新结合以形成氧气。

离子传输膜分离系统的进料气为含有氧和氮的气体(例如，空气)，所述气体在膜系统之前被压缩并加热到通常在0.7MPa(100psia)至4.1MPa(60psia)范围的压力和通常在750℃至950℃范围的温度。一部分进料气传输通过膜并作为热的高纯度氧产品进行回收。进料气的剩余部分是氧部分贫化的并仍然含有显著量的热和压力能。

所述热的、加压的贫氧气体可用在众多工艺应用中。例如，可在膨胀涡轮机中回收所述气体中的显著量的热和压力能以改善产氧的总体经济学。可以将离子传输膜系统与气体涡轮机(燃燃烧涡轮机)系统在各种工艺布置中进行集成，以优化两种系统的运行。

适于生产吨量级氧的离子传输膜(ITM)系统使用混合传导多组分金属氧化物膜材料，所述材料基于进给侧和产物侧之间氧分压的差异来传输氧。因此，在进料中氧分压等于产物中氧分压时，发生最大理论氧回收，并且需要无限的膜面积来达到此条件。例如，当纯氧产物在103kPa(15psia)(pO₂＝103kPa(15psia))下并且具有20摩尔％氧(pO₂＝413kPa(60psia))的含氧和氮的进气在2068kPa(300psia)下时，在贫氧气流中仅剩余5摩尔％的氧时发生最大理论氧回收。作为实际的经济问题，贫氧流很可能含有多若干摩尔％的氧。因此，难以设计ITM系统来产生具有低氧含量的高压氮产物，并且从贫氧流去除最后百分之几的氧可能需要非常大的膜表面积。

ITM系统的协同应用涉及到集成气化组合循环(IGCC)工厂，其通常需要大量的氧以便气化并需要大量的富氮气体以用作稀释剂来控制气体涡轮机中NOx形成。这种稀释剂氮流的典型最大氧含量为约2摩尔％，但是在使用替代的燃烧控制策略例如控制NOx的一些应用中可采用最高16摩尔％的浓度。一种实现氧水平小于约2摩尔％的途径是简单地伸展总压力的界限(即增加ITM进料气的压力和/或减小氧产物的压力)直至在合理的膜面积需求下贫氧流达到所需的氧含量。这种策略导致显著增加资本和操作成本以用于主要的辅助设备，例如要求更高压力比的空气和/或氧压缩机、更大的压缩机驱动电机、高温热交换器的更高压力等级或氧冷却设备和管道的更低允许压降。实现氧水平小于约2摩尔％的另一替代方法在授予Keskar等人的EP 0 916 385中进行论述，其中来自离子传输分离器的滞留物流被送到经反应性吹扫的离子传输分离器。所述经反应性吹扫的离子传输分离器起到脱氧单元的作用，其通过离子传输将残余的氧分离到阳极侧，在这里，所述氧与燃料吹扫流反应产生非常低的氧分压并从而增强氧移除。

本领域中需要改进的联产高纯度氧产物和富氮产物的离子传输膜方法和系统。还需要通过从来自离子传输膜系统的任何热的加压的流出气流中回收能量来使这些方法的总效率最大化。这些需求通过下文描述且由附随的权利要求限定的本发明实施方式得以解决。

发明内容

本发明涉及使用离子传输膜生产氧和氮的装置和方法。

所述装置和方法有如下概述的若干方面。括号中给出的附图标记号和表达涉及下文参考附图进一步说明的示例性实施方式。然而，所述附图标记号和表达仅是示意性的而不是将所述方面限于示例性实施方式的任何特定部件或特征。所述方面可阐述为权利要求，在其中，括号中给出的附图标记号和表达视情况被略去或被其它的所替代。

方面1、生产联产物氧和氮流的装置，所述装置包括：