[发明专利]用于生产纯度被控制的氧的固体电解质系统

说明书

本发明涉及一种从混合气体原料流中分离氧以生产所需纯度的氧的装置和方法，具体地说，涉及一种利用固体电解质离子传送薄膜(Solid electohlyteion transport membrane)从空气中分离氧的装置和方法，以生产具有选择的纯度的氧。

能迅速传送氧离子的固体电解质离子或离子—电子混合的导体用于空气分离是非常令人瞩目的。因此，用只传送氧离子的材料制成的薄膜用于渗透氧相对其它离子种类而言具有很大的选择性。由于氧产品本来就是纯净的，这种性质对生产氧而言特别有利。反之，也可用固体电解质离子传送材料从空气流中除去氧，从而可生产无氧的氮产品。

空气是一种气体混合物，它可以含有变化的水蒸汽量，在海面上，按体积计，它的各组分比例大约如下：氧(20.9％)，氮(78％)，氩(0.94％)和由其它微量气体组成的剩余组分。当用空气作为原料气体来用基本为固体电解质离子传送工艺时，原料空气流中的少量杂质(如氩、二氧化碳、水和微量碳氢化合物)保留在“氮”保留物中。

因此，将只传送氧离子的固体电解质离子导体用于从气体混合物(如空气)中分离氧是具有吸引力的。由于这种能传送氧离子和电子的纯离子导体或混合导体材料对氧比对所有其它气体有许多选择，所以它们具有特殊吸引力。一个结论是用这种固体电解质离子传送分离器生产的氧是超高纯(UHP)的氧。然而，尤其在高压和高温下，超高纯氧很容易起反应，因此，对超高纯氧的传送(例如用泵传送)，热传递等的控制是非常昂贵的，而且常常需要使用特殊材料。此外，通常在大多数应用中只要求氧的纯度为90-99％，将纯度提高到UHP水平几乎没有任何好处，而控制UHP氧的难度却增大。

在传统的非低温空气分离过程中，氧的浓度低，在浓度增加中氧被纯化，而且或者不需要产品或者不需稀释UHP氧。相反，用低温精馏方法生产的氧可以非常纯(纯度接近99.5％)，由于增加了UHP氧的活性，所以，常采用特殊材料和特殊工艺。而且，在低温过程中可以安全使用的材料与所处的氧浓度有关。当氧浓度增高时，可安全使用的材料只有少数几种特殊材料。在生产UHP氧和必须在高温下进行固体电解质离子传送过程中上述需求将更加苛刻，上述高温通常加大了氧和与接触的材料之间的反应速率。

对低温精馏生产氧的过程曾进行了广泛的研究，以确定适用于含有高浓度氧的液体或气体的材料。与用固体电解质离子传送方法生产超高纯氧有关的研究表明反应能力对氧浓度和压力有很强的依赖性。当氧浓度或压力增加时，材料更易于氧化和燃烧(即迅速氧化)，几乎没有材料可安全地用于这种应用中。例如，图3中曲线示出了在氧浓度为80％、90％、99.7％的情况下，Haynes合金25号，一种具有强耐腐蚀性的钴基合金的室温点燃性能。从该组曲线可以看出，高氧浓度显著地促进了Haynes合金25号的燃烧。图4是一组表示直径为3.175mm(0.125英寸)的HASTELLOY^合金C-22^Tm、一种具有强耐腐蚀性的镍铬一钼合金棒材在室温下的火焰稳定性数据，在这种情况中燃烧仅发生在高氧浓度和高压条件下。遗憾的是，尽管从这些试验可搜集到上述信息，但几乎没有试验可在固体电解质离子传送装置被使用的高于600℃的温度范围进行。这种被提高的温度很可能使反应能力问题更为尖锐。显然，将纯氧的氧浓度减小到较低值可降低与氧接触的材料对氧化或燃烧的敏感性。

目前正在开发两类固体电解质离子传送薄膜：只引导离子通过薄膜的离子导体和引导离子和电子两者通过薄膜的混合导体。呈现上述混合传导特性的离子传送薄膜当受到不同的局部氧压作用时可使氧横穿薄膜而不需要提供象离子导体所需的那种电场或外加电极。如此处所使用的那样，除有其它说明外，短语“固体电解质离子导体”、“固体电解质离子传送系统”，或简单地将“固体电解质离子”或“离子传送薄膜”用来或者表示采用离子型系统的系统，或者表示混合导体型系统。

在授权于Prasad等人的题为“Staged Electrolyte Membrane”的美国专利5547494号中比较详细地描述了固体电解质离子传送技术，因此该文献较全面地描述了现有技术。

在不存在纯净流的情况下，携带氧气离开离子传送薄膜的“渗透”流是“纯净”氧。对于混合引导薄膜，供给滞留流体两者都必须处在高压下(或上述“渗透”流处在非常低的压力下)，以产生输送氧的驱动力。尽管这种未净化的薄膜用于从惰性气体流中除去大量的氧是很具吸引力的，但由于所施加的压力使氧回收受到限制。