[发明专利]生产二氧化碳的方法和装置

说明书

本发明涉及固体电解质离子传导系统(Solid electrolyte ionicconductor systems)的用途，具体为气体分离系统中的氧选择性的离子迁移膜(OTM’s)以及最具体为OTM’s在气体纯化系统中的用途。

本发明是根据国家标准和技术研究院签订的合作协议第70NANB5H1065号在美国政府的资助下进行的。在本发明中，美国政府享有一定权益。

非-低温的大量氧气的分离系统，例如，有机聚合物膜系统，已被用来从空气和其它气体混合物中分离出所选气体。空气是一种气体混合物，可以含有不同量的水蒸汽并且，在海平面，其大致组成如下(以体积计)：氧气(20.9％)、氮气(78％)、氩气(0.94％)，其余为微量气体。然而，可以由某种无机氧化物来制成完全不同类型的膜。这些固体电解质膜由具有荧石或钙钛矿结构的、钙或钇稳定的锆和类似氧化物制成。

尽管这些氧化物陶瓷材料用作气体分离膜的能力强，但它们的使用有某些问题。最明显的难点在于所有已知的氧化物陶瓷材料只有在高温下才有明显的氧离子传导性(conductivity)。它们通常必须在大于500℃、通常900℃-1100℃下操作。尽管在发现在较低的温度下可以很好地工作的材料方面进行了大量的工作，但这种限制仍然存在。固体电解质离子导体技术的更详细的描述参见Prasad等的美国专利第5547494号，题目为分级的电解质膜，其全文通过引用并入本文，用来更全面地描述本领域的状况。然而，高温操作使离子迁移过程本身很好地与高温过程如基于蒸汽、基于气态或组合能源循环相结合。

近来的发展已生产出固体氧化物，如果施加化学驱动力(chemicaldriving potential)，它可以在高温下传导氧离子。所述化学驱动力通过在所述材料内维持氧分压差产生。如果施加足够高比率的氧分压来提供化学驱动力，这些压力-驱动的离子传导材料可以用作膜，从含氧气流中提取氧气。也就是说，暴露于含氧气体的所述膜的阴极侧的氧分压大于从中回收迁移通过所述材料氧的阳极侧的氧分压。

所述膜具有“氧选择性”。氧选择性是膜的一种运送氧离子比其它元素及其离子优先的趋势。由于这些材料对氧的选择性无穷大(排斥其它离子，完全优选运送氧离子)，并且可获得比聚合膜高出几个数量级的氧流量，很有希望用来生产氧气以及用于需氧的氧化过程，尤其涉及高温的应用。一个典型的例子为燃气轮机循环，它通常需要相当量的过量空气来维持汽轮机入口温度在可供材料的承受范围内并因此可作为副产物回收存在的过量氧。

设计离子迁移膜以及它们结合高温循环如燃气轮机的一些关键问题包括增大离子迁移驱动力、减小气体扩散阻力、防止源于热和组成膨胀和收缩的过度应力以及密封在离子迁移装置中的离子迁移元素。由于离子迁移膜在800℃-1100℃下操作，因而后面的问题更严重。

目前在技术文献中已可见到使用固体电解质离子传导器进行空气分离的技术进步。例如，Mazanec等的美国专利第5306411号，题目为固态多组分膜、电化学反应器组件、电化学反应器和膜的使用、反应器组件以及用于氧化反应的反应器，涉及用于使含氧气体与耗氧气体反应的电化学反应器，并描述了管壳式反应器，其中含氧气体在固体电解质膜的一侧流动，而耗氧气体在另一侧流动。然而Mazanec等没有提及将此类系统与来自燃气轮机的氧气生产、维持膜表面为所需的相同温度的热控制、为获得有效的质量传递的流动动力学，或需要平衡反应动力学和氧离子传导性从而维持用于材料稳定的合适的氧分压相结合的话题。

Gottzmann等在题目为固体电解质离子传导反应器的设计的美国专利第5820655号中描述了使用离子迁移膜从沿其渗余物侧流动的加料气流中提取氧的离子迁移反应器和方法。反应气体沿渗透物侧(pemeate side)流动从而与从膜渗透过来的氧反应。条件是以保持膜的操作温度在其操作温度范围内的方式将阳极侧反应的热量传递到流过反应器的流体流中。所述专利没有提及从反应的渗透物流中回收二氧化碳。

Prasad等在题目为用于固体电解质膜的气体分离的反应性吹扫的美国专利第5837125号中，描述了通过将所含的氧渗透到氧离子迁移膜的渗透物侧从含氧的加料流中获得高纯度的无氧产物的系统和方法，其中透过膜的氧与反应性吹扫流体反应从而在阳极建立一个低的氧分压。这样可以将氧浓度降至极低。所述专利没有提及生产和回收二氧化碳。