[发明专利]用于产生且热学增压氧气的方法和装置

说明书

本发明涉及用于在使用混合传导的陶瓷膜的情况下从空气连续产生经增压的氧气的方法和装置。本发明的任务是，说明一种从空气分离出纯净氧气并且将纯净氧气压缩到高于环境压力的压力的可行方案，其中，为此应该取消对空气或氧气的机械式的或机电式的增压。根据本发明，所提出的任务通过如下方式解决，即，水在不同的设备状态下在循环回路中引导，并且设备关系如下这样设计，即，在空间上与膜模块分离地产生所期望的高的氧气压力，并且避免所产生的氧气与新鲜产生的水蒸汽混合。

技术领域

本发明涉及用于在使用混合传导的陶瓷膜的情况下从空气连续产生经增压的氧气的方法和装置。

背景技术

氧气的传统的制备优选通过变压吸附(PSA：Pressure Swing Adsorption(变压吸附))或者通过低温空气分解(法)进行，其中，这两个过程在使用电能的情况下运行。在大多情况下，氧气为了随后的过程而需要具有过压，以便可以克服在后置的过程中的和线路系统中的压力损失。为了进行再压缩通常使用机电式的增压机，机电式的增压机由于其适用于氧气增压的能力而造成高的投资成本、额外的电能消耗，并且有极大的安全危险，例如导致相应的事故。

用于生产氧气的替选的方法基于在高温下的膜分离过程。为此使用混合传导的陶瓷膜(MIEC-Mixed lonic Electronic Conducto，混合离子电子导体)，其能够实现对氧气的高选择性的分离。氧气运输的原理是氧离子穿过气密的陶瓷材料的运输和同时发生的对电子的载流子(电子或空穴)的运输。

穿过MIEC膜的氧气渗透可以由瓦格纳(Wagner)等式描述，并且主要通过材料在使用温度下的双极性传导能力、膜厚度和驱动力来确定。驱动力由供应气体中的氧气分压(p_h)与冲洗气体中的或渗透气体中的氧气分压(p_l)的对数比得到。因此，穿过MIEC膜的氧气流量在给定的材料、恒定的膜厚度和确定的温度的情况下与ln(p_h/p_l)成正比。与此相应地，供应气体侧的p_h的加倍所造成的氧气流量的提高与渗透侧或吹扫气侧的p_l的减半所造成的效果一样。为了在技术上的膜设施中产生纯净的氧气，可以相应地对空气进行压缩或者利用真空吸走氧气；当然也可以将这些过程进行组合(Armstrong,P.A.,Bennett,D.L.,Foster,E.P.,Stein,V.E.：The New Oxygen Supply for the New IGCC Market(对于新兴的IGCC市场的新的氧气供应方案).Gasification Techn.2005,San Francisco,9.-12.10.2005(气化技术2005，旧金山，9.-12.10.2005))。对于大型技术上的设施来说，一般来说对空气进行压缩是优选的，这是因为增压机一般来说比真空产生器更便宜且更好用。

如果所产生的氧气需要用于化学反应，那么驱动力可以在能量上最有利地通过利用氧气少的气体对MIEC膜进行冲洗来产生。为了提升穿过膜的氧气流量，并且使氧气有足够高的压力来供随后的过程使用，典型地在供应气体侧上用机械式的增压机来压缩空气，并且在膜模块之后，来自氧气贫化的空气的增压能量通过减压涡轮地被大部分得到回收。