專利名稱：將氣體中的氧富集的方法、適用于此的設(shè)備及其應(yīng)用的制作方法
將氣體中的氧富集的方法、適用于此的設(shè)備及其應(yīng)用 本發(fā)明涉及一種用于富集氧氣的改進(jìn)的方法以及為此改進(jìn)的設(shè)備。氧轉(zhuǎn)移隔膜(oxygen-transfer-membrane,下面也稱為"OTM") 是具有特定組成和晶格結(jié)構(gòu)的在較高溫度下具有氧氣傳導(dǎo)能力的陶 資。因此，可以選擇性地例如從空氣中分離出氧氣。從隔膜的一側(cè)到 另 一側(cè)的氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力是兩側(cè)上不同的氧氣分壓。已經(jīng)嘗試了一段時(shí)間以利用長期已知的選擇性氧氣傳導(dǎo)效應(yīng)用于 回收氧氣或直接用于制備合成氣。已經(jīng)提出兩種不同方法用于產(chǎn)生氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力。使擴(kuò)散通過 陶瓷的氧氣立即在滲透側(cè)上反應(yīng)或者借助于沖掃氣體(下面也稱為"清 掃氣體")將氧氣從隔膜的滲透側(cè)掃除。這兩種方法導(dǎo)致滲透側(cè)上低 的氧氣分壓.在0TM運(yùn)行中，典型地采用明顯小于lmm的隔膜厚度和約800 -900'C的溫度。已知通過較厚隔膜的氧氣轉(zhuǎn)移取決于不同氧氣分壓系數(shù) 的對數(shù)。還已知在非常薄的隔膜情形下，不再與系數(shù)對數(shù)而可能僅與 氧氣分壓之間的差值相關(guān)。在OTM系統(tǒng)領(lǐng)域中的有多個(gè)專利起始于反應(yīng)和氧氣轉(zhuǎn)移的直接偶 聯(lián)。將催化劑直接施加在隔膜上或者在隔膜附近采用催化劑傾注。在 運(yùn)行中，在隔膜的一側(cè)將氧化劑引入該系統(tǒng)并且在另一側(cè)上引入可氧 化介質(zhì)，這兩種介質(zhì)僅通過薄的陶瓷隔膜分隔開。這類直接偶聯(lián)系統(tǒng) 的實(shí)例在US-A-5，591，315、 US-A-5, 820， 655 、 US-A-6， 010， 614 、 US-A-6，019， 885、 EP-A-399， 833、 EP-A-882, 670和EP-A-962， 422中。直接偶聯(lián)系統(tǒng)在許多方面仍然需要改進(jìn)。因此，首先必須克服例 如由陶乾隔膜的典型的材料脆性引起的運(yùn)行安全性問題。在高的反應(yīng) 溫度下，如果所述隔膜破裂并且氧氣和待氧化的試劑在高溫下混合， 則這可能造成嚴(yán)重的安全性問題。另外，氧氣滲透可能隨著升高的溫 度成指數(shù)地增加，并且在放熱反應(yīng)的情形中有反應(yīng)失控的危險(xiǎn)。偶聯(lián)系統(tǒng)的另 一 些可能的問題是隔膜的滲透側(cè)的焦化趨勢、當(dāng)放 熱和吸熱反應(yīng)組合在隔膜的滲透側(cè)上時(shí)反應(yīng)器中不均勻的溫度分布、 隔膜有限的化學(xué)穩(wěn)定性或者金屬密封/陶瓷復(fù)合材料的不密封性的影 響。上述安全性問題的避開和反應(yīng)技術(shù)簡化通過隔膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)移分離 和實(shí)際的氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。在隔膜的滲透側(cè)上通過接收氧氣的沖掃氣體 (清掃氣體)將氧氣分離，并且使其在另一個(gè)物理分離的反應(yīng)器(部 件)中與待氧化的介質(zhì)接觸。專利文獻(xiàn)描述了不同的沖掃氣體，例如得自燃燒反應(yīng)的水蒸氣或廢氣(即主要是C02 )。這些去偶聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)例存在于US-A-6， 537， 465、 EP-A-1， 132， 126、 US-A-5， 562， 754、 US-A-4， 981， 676、 US-A-6， 149， 714 中。用于這些系統(tǒng)中的清掃氣體可以包含少量比例的氧氣。在這些專利文獻(xiàn)中，在進(jìn)料側(cè)將空氣用作氧氣供應(yīng)源。由不含氧 氣或者基本不含氧氣的清掃氣體降低了滲透側(cè)上的氧氣濃度，經(jīng)此產(chǎn) 生氧氣轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力。沒有披露含氧清掃氣體例如空氣的使用.盡管 EP-A-1， 132， 126和US-A-5， 562， 754涉及"不與空氣反應(yīng)的清掃氣體"， 但在說明書中僅提到水蒸氣的使用。背景在于首先，在隔膜兩側(cè)上使用含氧沖掃氣體時(shí)氧氣分壓沒 有差異或者僅僅微小的差異(并且因此沒有氧氣滲透或者僅僅減少的 氧氣滲透)。另外，伴隨著空氣作為清掃氣體的使用，其中使用了氮 氣，在許多氧化反應(yīng)中氮?dú)獾拇嬖谑窍Ｍ苊獾?。起始于該現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種用于從含氧氣體中 回收氧氣的改進(jìn)方法，該方法具有提高的運(yùn)行穩(wěn)定性并且即使在放熱 反應(yīng)的情形中也能夠有穩(wěn)定的工序。本發(fā)明的另 一個(gè)目的是提供一種用于從含氧氣體中回收氧氣的改 進(jìn)方法，該方法可以長時(shí)間工作而不用更換隔膜并且相對于隔膜或金 屬密封/陶瓷復(fù)合材料中的不密封性具有高的誤差容許量。
本發(fā)明涉及一種在分離裝置中使含氧和氮的氣體中的氧含量富集 的方法，該裝置具有被氧傳導(dǎo)性陶瓷隔膜分成基質(zhì)室和滲透室的內(nèi)部空間，該方法包括以下步驟a) 將含氧氣體壓縮并且加熱成進(jìn)料氣體，b) 將壓縮和加熱的進(jìn)料氣體引入分離裝置的基質(zhì)室，c) 將含氧和氮的沖掃氣體引入分離裝置的滲透室，d) 在基質(zhì)室中設(shè)置壓力以使得進(jìn)料氣體的氧氣分壓造成氧氣通過 氧傳導(dǎo)性陶瓷隔膜進(jìn)入滲透室中的轉(zhuǎn)移，e) 從基質(zhì)室中排出貧氧的進(jìn)料氣體，和f) 從滲透室中排出富集氧氣的沖掃氣體。與迄今為止的方法相反，根據(jù)本發(fā)明提出了在滲透側(cè)上使用含氧 和氮的氣體作為清掃氣體。對于許多化學(xué)合成例如氨合成而言，氮?dú)饪梢栽跊_掃氣體中得以 良好應(yīng)用，以致存在用含氧和氮的氣體優(yōu)選空氣沖掃滲透側(cè)的可能， 并且由于隔膜進(jìn)料側(cè)上的氣體壓力高于隔膜的滲透側(cè)而產(chǎn)生氧氣滲透 的驅(qū)動力。由此兩側(cè)上的氧氣分壓不同，并且氧氣流過隔膜。該方法與迄今提出的體系相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)。
該體系具有固有的安全性。如果隔膜破裂，則含氧氣體與含氧氣體混合。.由于沒有發(fā)生放熱反應(yīng)，因此在分離裝置中排除了反應(yīng)失控。 .由于在分離裝置中優(yōu)選沒有出現(xiàn)可氧化組分例如烴，因此排除焦化。 由于在分離裝置中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此沒有伴隨著不均勻 溫度分布的問題。.由于大多數(shù)隔膜材料在含氧氣體中具有長期穩(wěn)定性，因此確保 了隔膜的化學(xué)穩(wěn)定性。.在金屬密封與陶瓷隔膜部件之間不需要完全氣密的連接，并且 可以容許小的"泄漏"。.通過控制隔膜的氧氣供給側(cè)上的壓力，可以非常優(yōu)雅的方式調(diào)
節(jié)含氧氣體的富集程度。例如，將可以容許單個(gè)斷裂的隔膜片。雖然 氮?dú)膺€通過這些斷裂點(diǎn)流到滲透側(cè)并且將減少富集。然而，這可以通 過僅僅提高氧氣供給側(cè)上的壓力來補(bǔ)償。由此流過未破損的隔膜部分 的氧氣將增多，并且總體上實(shí)現(xiàn)與前面相同的富集。因此在有限范圍 內(nèi)可以容忍隔膜工作期間出現(xiàn)的缺陷。任何含氧氣體可被用作進(jìn)料氣體。其優(yōu)選另外含有氮?dú)獠⑶姨貏e 地不含可氧化組分。特別優(yōu)選空氣作為進(jìn)料氣體使用。進(jìn)料氣體的氧含量通常為至少5體積％，優(yōu)選至少10體積％,特別優(yōu)選10-30體積％。任何含氧和氮的氣體可被用作沖掃氣體。其優(yōu)選不含可氧化組分。沖掃氣體的氧含量通常為至少5體積％,優(yōu)選至少10體積％，特別優(yōu)選 10-30體積％。沖掃氣體的氮含量通常為至少15體積％，優(yōu)選至少35 體積％，特別優(yōu)選35 - 80體積％。沖掃氣體可以任選地含有另外的惰性 組分例如水蒸汽和/或二氧化碳。特別優(yōu)選空氣作為沖掃氣體使用。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以使用對氧氣選擇性的任何氧傳導(dǎo)性 陶乾隔膜。根據(jù)本發(fā)明使用的氧轉(zhuǎn)移陶瓷材料是本身已知的。這些陶驚可由傳導(dǎo)氧陰離子和傳導(dǎo)電子的材料組成。然而，還可以使用不同陶瓷的組合或陶瓷與非陶瓷材料的組合，例如傳導(dǎo)氧陰離子的陶瓷和傳導(dǎo)電子的陶瓷的組合或者分別傳導(dǎo)氧陰離子和電子或其中并非所有組分均具有氧傳導(dǎo)性的不同陶瓷的組合，或者氧傳導(dǎo)性陶 乾材料與非陶瓷材料例如金屬的組合。優(yōu)選的多相隔膜體系的實(shí)例是具有離子傳導(dǎo)性的陶瓷和另外的具 有電子傳導(dǎo)性的材料特別是金屬的混合物。這些特別包括具有螢石結(jié) 構(gòu)或螢石相關(guān)結(jié)構(gòu)的材料與電子傳導(dǎo)材料的組合，例如任選地?fù)诫s有 Ca0或丫203的Zr02或Ce02與金屬，例如與釔的組合。優(yōu)選的多相隔膜體系的另一些實(shí)例是具有部分鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的混 合結(jié)構(gòu)，即混合體系，其中多種晶體結(jié)構(gòu)以固體存在并且其中至少一 種是鉤鈦礦型結(jié)構(gòu)或者與鈣鈦礦相關(guān)的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選使用的氧-轉(zhuǎn)移陶瓷材料的另 一些實(shí)例是多孔陶瓷隔膜，該隔膜由于孔形態(tài)而優(yōu)選傳導(dǎo)氧，例如多孔Al力3和/或多孔Si02。優(yōu)選使用的氧-轉(zhuǎn)移材料是氧化物陶資，其中具有4丐鈦礦型結(jié)構(gòu)或 具有鈣鐵鋁石型結(jié)構(gòu)或具有Aurivillius結(jié)構(gòu)的那些是特別優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明使用的鉤鈦礦通常具有結(jié)構(gòu)AB03—5， A是二價(jià)陽離子并 且B是三價(jià)或更高價(jià)陽離子，A的離子半徑大于B的離子半徑并且5 為0. 001 - 1. 5，優(yōu)選0. 01 - 0. 9,特別優(yōu)選0. 01 - 0. 5的數(shù)以建立材 料的電中性。在根據(jù)本發(fā)明使用的鈣鈦礦中，也可以存在不同的陽離 子A和/或陽離子B的混合物。根據(jù)本發(fā)明使用的鉤鐵鋁石通常具有結(jié)構(gòu)A2B205—5 ， A、 B和5具有 上面定義的含義。在根據(jù)本發(fā)明使用的鈣鐵鋁石中，也可以存在不同 的陽離子A和/或陽離子B的混合物。陽離子B可以優(yōu)選以多種氧化態(tài)出現(xiàn)。然而， 一些或全部類型B 的陽離子也可以是具有恒定氧化態(tài)的三價(jià)或更高價(jià)陽離子。特別優(yōu)選使用的氧化物陶瓷含有選自以下物質(zhì)的A型陽離子第 二主族、第一副族、第二副族、鑭系元素的陽離子或者這些陽離子的 混合物，優(yōu)選選自Mg2+、 Ca2+、 Sr2+、 Ba2+、 Cu2+、 Ag2+、 Zn2+、 0(12+和/或 鑭系元素。特別優(yōu)選使用的氧化物陶瓷含有選自以下物質(zhì)的B型陽離子元 素周期表的11IB-VIIIB族和/或鑭系元素、第III至第V主族金屬的 陽離子或者這些陽離子的混合物，優(yōu)選選自Fe3+、 Fe4+、 Ti3+、 Ti"、 Zr3+、 Zr4+、 Ce3+、 Ce4+、 Mn3+、 Mn4+、 Co2+、 Co3+、 Nd3+、 Nd4+、 Gd3+、 Gd4+、 Sm3+、 Sm"、 Dy3+、 Dy4+、 Ga3+、 Yb3+、 Al3+、 Bi"或者這些陽離子的混合物。仍然進(jìn)一步特別使用的氧化物陶瓷含有選自Sn2+、 Pb2+、 Ni2+、 Pd2+、 鑭系元素或這些陽離子的混合物的B型陽離子。根據(jù)本發(fā)明使用的 Aurivillite通常具有結(jié)構(gòu)單元 (Bi202) 2+ (V03.5 [] 。. 5) 2-或相關(guān)的結(jié)構(gòu)元素，[]是氧缺失?；|(zhì)室中進(jìn)料氣體的壓力可以在寬的范圍內(nèi)變化。在每一情形下 這樣選擇壓力使得隔膜進(jìn)料側(cè)上的氧氣分壓大于滲透側(cè)。基質(zhì)室中 的典型壓力為10_2至100巴，優(yōu)選1至80巴，特別為2至10巴。
滲透室中的氣體壓力也可以在寬的范圍內(nèi)變化，并且在每一情形下根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。滲透室中的典型壓力為1(T3-100巴，優(yōu)選O. 5 - 80巴，特別為0. 8 - 10巴。這樣選擇分離裝置中的溫度使得可以實(shí)現(xiàn)盡可能高的分離效率。 在每一情形下選擇的溫度取決于隔膜的類型并且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人 員通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)確定。對于陶瓷隔膜而言，典型的工作溫度為300 -1500°C，優(yōu)選650 - 1200。C。在一種優(yōu)選的方法變型中，將從滲透室排出并且富集氧氣的沖掃 氣體用于制備合成氣。出于該目的，以本身已知的方式在重整器中將 烴混合物，優(yōu)選天然氣或純的烴優(yōu)選甲烷與富集氧氣的沖掃氣體任選 地與水蒸汽一起轉(zhuǎn)化成氫氣和碳的氧化物。在用于除去碳的氧化物的進(jìn)一步加工步驟之后，可以任選地將合成氣用于費(fèi)-托合成或者特別用 于氨合成。在該方法變型中，沖掃氣體通常富集至多約35%-45%的氧含量并 且被直接送入優(yōu)選自熱的重整器("ATR")。在另一個(gè)優(yōu)選的方法變型中，將從滲透室排出并且富集氧氣的含 氮沖掃氣體用于進(jìn)行氧化反應(yīng)，特別用于制備硝酸或者用于烴例如丙 烷的氧化脫氬。在仍然另一個(gè)優(yōu)選方法變型中，將從基質(zhì)室排出并且貧氧的含氮 進(jìn)料氣體用于進(jìn)行氧化反應(yīng)，特別用于焦炭負(fù)載催化劑的再生。本發(fā)明還涉及特別設(shè)計(jì)的用于使氣體中的氧氣富集的設(shè)備。 該設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案包括以下元件A) 分離裝置，其內(nèi)部空間鋪設(shè)有多根彼此平行走向的由氧-傳導(dǎo) 性陶瓷材料構(gòu)成的中空纖維，在此該中空纖維的內(nèi)部空間形成分離裝 置的滲透室，該中空纖維的外部環(huán)境形成分離裝置的基質(zhì)室，B) 至少一個(gè)由多根中空纖維組成的部件，其在端面與用于沖掃氣 體的供給管和用于富集氧氣的滲透氣體的排放管連接，在此沖掃氣體 和滲透氣體的供給管和排放管不與基質(zhì)室相連， c)至少一根用于含氧進(jìn)料氣體的供給管，其接口于分離裝置的基 質(zhì)室，和D) 至少一根從分離裝置的基質(zhì)室導(dǎo)出、用于從基質(zhì)室中排出貧氧 的進(jìn)料氣體的排放管。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案包括以下元件A，)分離裝置，其的內(nèi)部空間鋪設(shè)有多根彼此平行走向的由氧-傳 導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的中空纖維，在此該中空纖維的內(nèi)部空間形成分離 裝置的基質(zhì)室，該中空纖維的外部環(huán)境形成分離裝置的滲透室，B，)至少一個(gè)由多根中空纖維組成的部件，其在端面與用于含氧 進(jìn)料氣體的供給管和用于貧氧的進(jìn)料氣體的排放管連接，在此進(jìn)料氣 體和枯竭的進(jìn)料氣體的供給管和排放管不與滲透室相連，C，)至少一根用于沖掃氣體的供給管，其接口于分離裝置的滲透 室，和D，)至少一根從分離裝置的滲透室導(dǎo)出、用于從滲透室中排出富集氧氣的沖掃氣體的排放管。部件B和B，)中的單根中空纖維可以彼此在空間上隔開或者可以 彼此接觸。該中空纖維通過分配器單元和收集器單元與用于通過中空纖維轉(zhuǎn)移氣體的供給管和排放管相連。分離裝置A和A，)可以通過將引入的氣體的溫度而被動地加熱。 分離裝置A)和A，)可以另外裝有加熱裝置。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案包括以下元件E) 多個(gè)堆疊的由氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的片或?qū)樱湫纬闪硕?個(gè)垂直或水平且平行排列的空間，F(xiàn)) —些空間組成滲透室并且另一些空間形成基質(zhì)室，所述空間的 至少一個(gè)維度小于10mm，優(yōu)選小于2mm，基質(zhì)室與滲透室之間的氧氣 轉(zhuǎn)移通過由氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的共用板形成的至少一個(gè)共用室 壁進(jìn)行，G )用于將含氧進(jìn)料氣體送入與至少一個(gè)分配器單元相連的基質(zhì)室 中的供給管，在此該分配器單元與進(jìn)料氣體的供給管相連， H) 用于從與至少一個(gè)收集器單元相連的基質(zhì)室中排出貧氧的進(jìn)料 氣體的排放管，在此該收集器單元與貧氧的進(jìn)料氣體的排放管相連，I) 用于將沖掃氣體送入與至少一個(gè)分配器單元相連的滲透室的供 給管，在此該分配器單元與沖掃氣體的供給管相連，J)用于從與至少一個(gè)收集器單元相連的滲透室中排出富集氧氣的 沖掃氣體的排放管，在此該收集器單元與富集氧氣的沖掃氣體的排放 管相連，和K)不彼此相連的滲透室和基質(zhì)室。在上述設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在所有空間中提供隔離元件。在上述設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，基質(zhì)室和/或滲透室的供給管 與壓縮機(jī)相連，借助于該壓縮機(jī)可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)腔室中的氣體壓力。在上述設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，滲透室的供給管與容器相 連，從該容器向設(shè)備供送含氧和氮的沖掃氣體。根據(jù)本發(fā)明的具有0TM的分離裝置在化學(xué)反應(yīng)例如氨合成中的應(yīng) 用導(dǎo)致有利的運(yùn)行和投資成本。因此，與空氣分離設(shè)備相比，具有0TM 的分離裝置可以在更低的運(yùn)行壓力下工作并且因此可以就能量而言更 有利地被使用。此外，通過根據(jù)本發(fā)明的方法可以節(jié)省空氣分離設(shè)備 中的顯著投資。本發(fā)明進(jìn)一步涉及富集氧氣的并且來源于具有氧傳導(dǎo)性隔膜的分 離裝置的氣體用于制備合成氣，優(yōu)選用于費(fèi)-托合成或用于氨合成的應(yīng) 用。本發(fā)明進(jìn)一步涉及富集氧氣的并且來源于具有氧傳導(dǎo)性隔膜的分 離裝置的氣體用于制備硝酸的應(yīng)用。以下實(shí)施例和附圖解釋本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。

圖1表示實(shí)驗(yàn)裝置。氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料的中空纖維(4)被放入 可加熱裝置中繃緊。借助于硅樹脂密封件(5)將中空纖維(4)的末 端密封?？梢詫⒅锌绽w維(4)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)暴露在各種氣體和/或?qū)?驗(yàn)環(huán)境條件下。通過供給管(1)引入裝置并且沿著滲透室(3)流動 的沖掃氣體("清掃氣體")在合適的分壓下從引入裝置并且沿著中空纖維(4)的內(nèi)部("基質(zhì)室")流動的氧氣-供給氣體("進(jìn)料氣 體")中吸收氧氣，并且作為富集氧氣的氣體通過排放管(7)離開裝 置。隨后可以通過氣相色i瞽分析富集氧氣的氣體。氧氣-供給氣體通過 供給管(2)通入中空纖維(4)中并且作為貧氧的氣體通過排放管(6) 離開裝置?？梢杂煞磻?yīng)器入口與出口 (2,6)處的氧濃度差值和總體積流量確 定滲透的氧氣量。進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)。出于該目的，將陶瓷中空纖維暴露于作為清掃 氣體和作為氧氣-供給氣體的空氣下。為了設(shè)置合適的氧氣分壓，使中 空纖維的內(nèi)側(cè)(芯側(cè))經(jīng)受升高的大氣壓，而同時(shí)在每一情形下將外 側(cè)(殼側(cè))的空氣壓保持在1. 2巴。圖2表示通過陶瓷中空纖維實(shí)現(xiàn)的氧氣流速與陶瓷隔膜兩側(cè)之間 的壓差的相關(guān)性。明顯的是，隨著增大的壓差，氧氣滲透出現(xiàn)增加。 圖2中方括號中的測量值是在較高的絕對壓強(qiáng)(外側(cè)2巴；內(nèi)側(cè)2.5 巴)下測量的。測量在875n的烘爐溫度下進(jìn)行。在每一情形中，中 空纖維的外側(cè)和內(nèi)側(cè)上的體積流量為80cmV/min(NTP-常溫和常壓)。
權(quán)利要求
1.一種在分離裝置中使含氧和氮的氣體中的氧含量富集的方法，該裝置具有被氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜分成基質(zhì)室和滲透室的內(nèi)部空間，該方法包括以下步驟(a)將含氧氣體壓縮并且加熱成進(jìn)料氣體，(b)將壓縮和加熱的進(jìn)料氣體引入分離裝置的基質(zhì)室，(c)將含氧和氮的沖掃氣體引入分離裝置的滲透室，(d)在基質(zhì)室中設(shè)置壓力以使得進(jìn)料氣體的氧氣分壓造成氧氣通過氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜進(jìn)入滲透室中的轉(zhuǎn)移，(e)從基質(zhì)室中排出貧氧的進(jìn)料氣體，和(f)從滲透室中排出富集氧氣的沖掃氣體。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于含氧進(jìn)料氣體是空氣。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于含氧沖掃氣體包含至少 5體積％的氧氣，優(yōu)選空氣。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于基質(zhì)室中進(jìn)料氣體的壓 力為10—2至100巴。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于基質(zhì)室中進(jìn)料氣體的溫 度以及滲透室中沖掃氣體和滲透物的溫度為300 - 1500'C。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于滲透室中沖掃氣體的壓 力小于基質(zhì)室中進(jìn)料氣體的壓力，并且為10—3至100巴。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于從滲透室中排出并且富 集氧氣的沖掃氣體被用于制備合成氣。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該合成氣用于費(fèi)-托合成或氨合成。
9. 如權(quán).利要求1所述的方法，其特征在于從滲透室中排出并且富 集氧氣的含氮沖掃氣體被用于制備硝酸或者用于烴，優(yōu)選丙烷的氧化 脫氬。
10. —種用于富集氣體中氧含量的設(shè)備，其包括以下元件 A) 分離裝置，其內(nèi)部空間鋪設(shè)有多根彼此平行走向的由氧-傳導(dǎo) 性陶瓷材料構(gòu)成的中空纖維，在此該中空纖維的內(nèi)部空間形成分離裝 置的滲透室，該中空纖維的外部環(huán)境形成分離裝置的基質(zhì)室，B) 至少一個(gè)由多根中空纖維組成的部件，其在端面與用于沖掃氣 體的供給管和用于富集氧氣的滲透氣體的排放管連接，在此沖掃氣體 和滲透氣體的供給管和排放管不與基質(zhì)室相連，C) 至少一根用于含氧進(jìn)料氣體的供給管，其接口于分離裝置的基 質(zhì)室，和D) 至少一根從分離裝置的基質(zhì)室導(dǎo)出、用于從基質(zhì)室中排出貧氧 的進(jìn)料氣體的排放管。
11. 一種用于提高氣體中氧含量的設(shè)備，其包括以下元件A，)分離裝置，其的內(nèi)部空間鋪設(shè)有多根彼此平行走向的由氧-傳 導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的中空纖維，在此該中空纖維的內(nèi)部空間形成分離 裝置的基質(zhì)室，該中空纖維的外部環(huán)境形成分離裝置的滲透室，B，)至少一個(gè)由中空纖維組成的部件，其由組合成束的中空纖維 構(gòu)成并且在端面與用于含氧進(jìn)料氣體的供給管和用于貧氧的進(jìn)料氣體 的排放管連接，在此進(jìn)料氣體和枯竭的進(jìn)料氣體的供給管和排放管不 與滲透室相連，C，)至少一根用于沖掃氣體的供給管，其接口于分離裝置的滲透 室，和D，)至少一根從分離裝置的滲透室導(dǎo)出、用于從滲透室中排出富集氧氣的沖掃氣體的排放管。
12. —種用于提高氣體中氧含量的設(shè)備，其包括以下元件E) 多個(gè)堆疊的由氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的片或?qū)?，其形成了多個(gè)垂直或水平且平行排列的空間，F(xiàn)) —些空間組成滲透室并且另一些空間形成基質(zhì)室，所述空間的 至少一個(gè)維度小于10mm,基質(zhì)室與滲透室之間的氧氣轉(zhuǎn)移通過由氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料構(gòu)成的共用板形成的至少一個(gè)共用室壁進(jìn)行，G) 用于將含氧進(jìn)料氣體送入與至少一個(gè)分配器單元相連的基質(zhì)室 中的供給管，在此該分配器單元與進(jìn)料氣體的供給管相連，H )用于從與至少一個(gè)收集器單元相連的基質(zhì)室中排出貧氧的進(jìn)料 氣體的排放管，在此該收集器單元與貧氧的進(jìn)料氣體的排放管相連，I)用于將沖掃氣體送入與至少一個(gè)分配器單元相連的滲透室的供 給管，在此該分配器單元與沖掃氣體的供給管相連，J)用于從與至少一個(gè)收集器單元相連的滲透室中排出富集氧氣的 沖掃氣體的排放管，在此該收集器單元與富集氧氣的沖掃氣體的排放 管相連，和K)不彼此相連的滲透室和基質(zhì)室。
13. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于在所有空間中具有隔 離元件。
14. 如權(quán)利要求10、 11和12任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于用于基質(zhì)室和/或用于滲透室的供給管與壓縮機(jī)相連，借助于該壓縮機(jī)可 以獨(dú)立地調(diào)節(jié)腔室中的氣體壓力。
15. 如權(quán)利要求10、 11和12任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于滲透室的供給管與容器相連，從該容器向設(shè)備供送含氧和氮的沖掃氣體。
16. 如權(quán)利要求10、 11和12任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于具 有釣鈦礦型結(jié)構(gòu)或具有鈣鐵鋁石型結(jié)構(gòu)或具有AurivilHus結(jié)構(gòu)的氧 化物陶瓷被用作氧-傳導(dǎo)性陶瓷材料。
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于氧化物陶瓷具有鈣鈦 礦型結(jié)構(gòu)AB03-6，其中A是二價(jià)陽離子并且B是三價(jià)或更高價(jià)陽離子， A的離子半徑大于B的離子半徑并且5為0.01-0.9，優(yōu)選O. 01-0. 5 的數(shù)以建立材料的電中性，并且其中A和/或B可以作為不同陽離子的 混合物存在。
18. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于氧化物陶瓷具有鈣鐵 鋁石型結(jié)構(gòu)A2B205-5 ，其中A是二價(jià)陽離子并且B是三價(jià)或更高價(jià)陽離 子，A的離子半徑大于B的離子半徑并且5為0.01-0.9，優(yōu)選0.01 -0.5的數(shù)以建立材料的電中性，并且其中A和/或B可以作為不同陽 離子的混合物存在。
19. 如權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，其特征在于A型陽離子選 自第二主族、第一副族、第二副族、鑭系元素的陽離子或者這些陽離 子的混合物，優(yōu)選選自Mg2+、 Ca2+、 Sr2+、 Ba2+、 Cu2+、 Ag2+、 Zn2+、 Cd2+ 和/或鑭系元素。
20. 如權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，其特征在于B型陽離子選 自元素周期表的IIIB-VIIIB族和/或鑭系元素族、第五主族金屬的陽 離子或者這些陽離子的混合物，優(yōu)選選自Fe3+、 Fe4+、 Ti3+、 Ti"、 Zr3+、 Zr4+、 Ce3+、 Ce4+、 Mn3+、 Mn4+、 Co2+、 Co3+、 Nd3+、 Nd4+、 Gd3+、 Gd4+、 Sm3+、 Sm4+、 Dy3+、 Dy4+、 Ga3+、 Yb3+、 Al3+、 Bi"或者這些陽離子的混合物。
21. 富集氧氣并且來自具有氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜的分離裝置的氣體 用于制備合成氣，優(yōu)選用于費(fèi)-托合成或氨合成的應(yīng)用。
22. 富集氧氣并且來自具有氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜的分離裝置的氣體 用于進(jìn)行氧化反應(yīng)，優(yōu)選用于硝酸的制備或烴優(yōu)選丙烷的氧化脫氬的 應(yīng)用。
23. 貧氧并且來自具有氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜的分離裝置的氣體用于 進(jìn)行氧化反應(yīng)，優(yōu)選用于焦炭負(fù)載催化劑的再生的應(yīng)用。
全文摘要
描述了一種在分離裝置中使含氧和氮的氣體中的氧含量富集的方法，該裝置具有被氧-傳導(dǎo)性陶瓷隔膜分成基質(zhì)室和滲透室的內(nèi)部空間。該方法包括將含氧和氮的沖掃氣體引入滲透室并且在基質(zhì)室中設(shè)置壓力以使得基質(zhì)室和沖掃氣體室中的氧氣分壓造成氧氣轉(zhuǎn)移通過陶瓷隔膜。該方法顯著在于高的運(yùn)行安全性。
文檔編號B01D53/22GK101115678SQ200680004614
公開日2008年1月30日 申請日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月11日
發(fā)明者B·科爾貝, S·韋特 申請人:猶德有限公司;博爾西希工業(yè)用熱交換器有限公司