[发明专利]一种制备氮气的装置及方法

说明书

技术领域

本发明提供一种制备氮气的装置及方法。属于空气分离制氮技术领域，特别涉及一种制备高浓度氮气和燃料部分氧化处理的技术和方法。

技术背景

氮气作为一种资源丰富的惰性气体，应用十分广阔。目前工业制备氮气最广泛采用的是低温空气分离技术，其一次性设备投入大，制氮耗能高，而且受规模限制(绍融，周智勇著，《现代空分设备技术与操作原理》.杭州出版社，2005)。此外还有变压吸附制氮技术，该技术对吸附剂的要求极为苛刻，吸附剂性能往往严重影响制成气的氮气纯度，制氮成本高(吴卫，石绍军.变压吸附制氮技术及其设备选型[J].化工技术与开发，2010，39(12)：56-61)。报道还有多孔膜分离法，采用该技术制氮不但要消耗大量电力，而且要经过多次分离提纯，制氮成本高(庄营，宫吉超，苏堪祥等.膜分离制氮装置原理及其应用[J].中国化工贸易，2015，7(33)：377)。

发明内容

为克服现有制氮技术的不足，本发明提供一种制备氮气的装置及方法。其特征是利用氧离子-电子混合导电陶瓷透氧膜和利用化学能，实现制氮。制氮过程中，透氧膜的一侧通入空气，另一侧通入燃料气，在化学势梯度的驱动下，空气中的氧渗透通过透氧膜，从而得到高浓度的氮气。与此同时，渗透到透氧膜另一侧的氧，在催化剂的作用下，与燃料发生氧化反应，得到部分氧化的燃料气体。

由此，本发明的第一个方面提供一种制备氮气的装置，所述装置包括：

1)反应器，所述反应器包括透氧膜1，催化剂2和反应器外壳3，所述透氧膜1密封于所述反应器中，将反应器分隔为透氧膜的空气侧和透氧膜的燃料气侧；

2)空气供气装置4；

3)燃料气供气装置5；

4)用于收集空气侧产物的产物收集装置6；

5)用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7；

其中，所述空气供气装置4和用于收集空气侧产物的产物收集装置6分别与所述透氧膜的空气侧流体连通，所述燃料气供气装置5和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7分别与透氧膜的燃料气侧流体连通，并且所述催化剂2位于所述透氧膜的燃料气侧。

在优选的实施方案中，所述透氧膜1的材料选用混合离子电子传导材料，优选是同时传导氧离子和电子的混合离子电子透过膜，还优选是传导氧离子但不传导电子的材料和传导电子但不传导氧离子的材料构成的双相复合膜，更优选Zr_0.84Y_0.16O_2-δ-La_0.8Sr_0.2Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ(YSZ-LSCrF)双相非对称陶瓷透氧膜。

在优选的实施方案中，所述透氧膜1的厚度为0.1-5mm。

在优选的实施方案中，所述催化剂2负载于透氧膜表面或与透氧膜分开放置。

在优选的实施方案中，所述催化剂2的主要功能是催化碳氢燃料气的氧化或部分氧化。因此，只要可以用于催化氧化的催化剂均可以用于本发明的装置和方法。

在优选的实施方案中，所述催化剂2选自由以下各项组成的组：镍基催化剂、钌基催化剂、铑基催化剂、铂基催化剂或其任意组合。

在优选的实施方案中，所述反应器外壳3选用耐高温材料制成，如陶瓷或高温不锈钢。

在优选的实施方案中，所述空气供气装置4包括：至少一个空气贮存装置，

至少一个空气预热装置，

连通空气贮存装置和反应器的气体输运管道，

控制空气流速和压力的装置。

在优选的实施方案中，所述燃料气供气装置5包括：

至少一个燃料贮存装置，

至少一个燃料气预热装置，

连通燃料贮存装置和反应器的气体输运管道，

控制燃料气流速和压力的装置。

在优选的实施方案中，所述用于收集空气侧产物的产物收集装置6和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7分别包括至少一个气体贮存装置。

本发明的另一方面提供一种制备氮气的方法，所述方法使用上述装置，包括如下步骤：

1)通过空气供气装置4向透氧膜的空气侧通入空气，通过燃料气供气装置5向透氧膜的燃料气侧通入燃料气；

2)在用于收集空气侧产物的产物收集装置6和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7中分别收集产物和副产品。