[发明专利]一种空气分离制氧气和氮气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种联合混合导体透氧陶瓷膜分离与复杂氧化物作为吸附剂的变压吸附分离空气的方法。

背景技术

氧气与氮气都是非常重要的化工原料，目前一般是通过低温精馏、变压吸附过程来获得氧气与氮气。低温精馏的工作原理是将空气压缩液化，除去杂质并冷却后，根据氧、氮沸点的不同，在精馏塔板上进行气、液接触；由于氧的沸点较高，所以空气中的氧组分将会不断地从蒸汽中冷凝出来进入下流液体之中，而低沸点的氮组分则不断地转入上升的蒸汽当中，这就使得上升蒸汽中氮的含量不断提高，下降液体中氧的含量也不断上升，最终实现氧、氮的分离。大规模生产氧气是比较经济的，氧、氮的纯度也高，但其设备投资大、能耗高、建设周期长。变压吸附法是基于分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气的方法，其工作原理是利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力方面的差异以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性，在加压条件下完成混合气体分离的吸附分离过程，降压解吸所吸附的杂质组分，从而实现气体分离及吸附剂循环使用的目的。变压吸附法制氧适合中等规模的生产，可实现无人运行，但其回收率低、能耗高、产品纯度低，而且产品纯度提高会导致回收率大幅度降低，两者不可兼顾。有机膜也可以用来分离空气，但其渗透选择性较差，只能用于获得富氧空气，而不能得到高纯的氧气或氮气。

近年，研究者们提出了用混合导体透氧陶瓷膜来分离空气。混合导体透氧陶瓷膜由于其对氧的高渗透选择性、高渗透性和低设备投入很快引起了研究领域和工业领域的高度重视，其透氧过程是通过氧分子在膜表面解离吸附后生成的晶格氧在膜两侧氧化学势梯度的驱动下迁移到膜的另一侧再结合成氧分子而实现的，该分离过程是一个电化学过程，氧的理论渗透选择性为100％，远高于多孔膜。而且混合导体透氧陶瓷膜还具有高透量，与多孔膜相当；和有机膜相比，它具有高的稳定性、耐化学腐蚀、耐老化、寿命长、渗透选择性高等优点。人们普遍认为若能开发出具有足够大透氧量的膜材料，混合导体透氧陶瓷膜可以满足目前需氧市场的许多领域，例如医学保健方面、有色金属冶炼、废水处理、垃圾焚烧、火力发电、甲烷转化等各个领域。但混合导体透氧陶瓷膜只能从空气中分离出高纯度的氧气，而不能得到高纯度的氮气。

复杂金属氧化物氧吸附剂不同于变压吸附法分离空气所用的分子筛吸附剂，它只吸附氧气。在高氧分压条件下，氧气与吸附剂的氧空位结合形成化学吸附氧；在低氧分压条件下，化学吸附的氧从吸附剂上脱附，同时释放氧空位。该过程可表示如下：

吸附氧过程：

氧脱附过程：

分子筛吸附剂对氮气和氧气都有吸附，吸附选择性较差，对空气中的最高含量的组分氮气有较强的吸附，这就导致变压吸附法制氧的效率较低。再则，变压吸附法不能有效分离氧气和氩气，使得氧纯度很难高于95％，这就限制了变压吸附法制氧气在众多领域的应用。而对于复杂金属氧化物氧吸附剂，由于其只对氧气选择性地吸附，可以有效地将氧气从混合气体中分离出来，从而可以得到高纯度的氧气。而且，在具有相同吸附量的条件下，复杂氧化物氧吸附剂与分子筛吸附剂相比具有更高的分离效率。

本发明由混合导体透氧陶瓷膜分离器渗透分离氧气后的尾气为贫氧空气(O₂含量2～18％)，氧浓度随膜分离器的操作条件不同而变化。复杂金属氧化物氧吸附剂可以吸附从膜分离器出来的贫氧空气中的氧气，从而使得吸附后的剩余气体主要为氮气，纯度可以达到99％以上。这样就将混合导体透氧陶瓷膜的优势与复杂金属氧化物氧吸附剂的优势相结合，实现了同时分离氧气和氮气的目的。

发明内容

本发明的目的是提供了一种同时高效分离氧气和氮气的新方法。

本发明提供了一种空气分离制氧气和氮气的方法，整个过程是在由混合导体透氧陶瓷膜分离器和复杂金属氧化物作为氧吸附剂的变压吸附分离器构成的平台上进行；

具体过程如下：

空气中的大部分氧分子在混合导体透氧陶瓷膜表面解离吸附生成晶格氧，晶格氧在膜两侧氧化学势梯度的驱动下迁移到膜的另一侧，然后结合生成氧分子；

混合导体透氧陶瓷膜分离器渗透分离氧气后的剩余空气为贫氧空气，复杂金属氧化物作为吸附剂的变压吸附分离器在常压或0.1～2.0MPa高压下吸附贫氧空气中氧气，在1Pa～100KPa低压条件下脱附氧气，使吸附后剩余的气体主要为氮气，从而得到高纯度氮气，复杂金属氧化物吸附剂由真空脱附而再生。