[发明专利]将气体中的氧富集的方法、适用于此的设备及其应用

说明书

本发明涉及一种用于富集氧气的改进的方法以及为此改进的设备。

氧转移隔膜(oxygen-transfer-membrane，下面也称为“OTM”)是具有特定组成和晶格结构的在较高温度下具有氧气传导能力的陶瓷。因此，可以选择性地例如从空气中分离出氧气。从隔膜的一侧到另一侧的氧气转移的驱动力是两侧上不同的氧气分压。

已经尝试了一段时间以利用长期已知的选择性氧气传导效应用于回收氧气或直接用于制备合成气。

已经提出两种不同方法用于产生氧气转移的驱动力。使扩散通过陶瓷的氧气立即在渗透侧上反应或者借助于冲扫气体(下面也称为“清扫气体”)将氧气从隔膜的渗透侧扫除。这两种方法导致渗透侧上低的氧气分压。

在OTM运行中，典型地采用明显小于1mm的隔膜厚度和约800-900℃的温度。已知通过较厚隔膜的氧气转移取决于不同氧气分压系数的对数。还已知在非常薄的隔膜情形下，不再与系数对数而可能仅与氧气分压之间的差值相关。

在OTM系统领域中的有多个专利起始于反应和氧气转移的直接偶联。将催化剂直接施加在隔膜上或者在隔膜附近采用催化剂倾注。在运行中，在隔膜的一侧将氧化剂引入该系统并且在另一侧上引入可氧化介质，这两种介质仅通过薄的陶瓷隔膜分隔开。这类直接偶联系统的实例在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。

直接偶联系统在许多方面仍然需要改进。因此，首先必须克服例如由陶瓷隔膜的典型的材料脆性引起的运行安全性问题。在高的反应温度下，如果所述隔膜破裂并且氧气和待氧化的试剂在高温下混合，则这可能造成严重的安全性问题。另外，氧气渗透可能随着升高的温度成指数地增加，并且在放热反应的情形中有反应失控的危险。

偶联系统的另一些可能的问题是隔膜的渗透侧的焦化趋势、当放热和吸热反应组合在隔膜的渗透侧上时反应器中不均匀的温度分布、隔膜有限的化学稳定性或者金属密封/陶瓷复合材料的不密封性的影响。

上述安全性问题的避开和反应技术简化通过隔膜的物质转移分离和实际的氧化反应实现。在隔膜的渗透侧上通过接收氧气的冲扫气体(清扫气体)将氧气分离，并且使其在另一个物理分离的反应器(部件)中与待氧化的介质接触。

专利文献描述了不同的冲扫气体，例如得自燃烧反应的水蒸气或废气(即主要是CO₂)。这些去偶联系统的实例存在于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。用于这些系统中的清扫气体可以包含少量比例的氧气。

在这些专利文献中，在进料侧将空气用作氧气供应源。由不含氧气或者基本不含氧气的清扫气体降低了渗透侧上的氧气浓度，经此产生氧气转移的驱动力。没有披露含氧清扫气体例如空气的使用。尽管EP-A-1,132,126和US-A-5,562,754涉及“不与空气反应的清扫气体”，但在说明书中仅提到水蒸气的使用。

背景在于：首先，在隔膜两侧上使用含氧冲扫气体时氧气分压没有差异或者仅仅微小的差异(并且因此没有氧气渗透或者仅仅减少的氧气渗透)。另外，伴随着空气作为清扫气体的使用，其中使用了氮气，在许多氧化反应中氮气的存在是希望避免的。

起始于该现有技术，本发明的目的是提供一种用于从含氧气体中回收氧气的改进方法，该方法具有提高的运行稳定性并且即使在放热反应的情形中也能够有稳定的工序。

本发明的另一个目的是提供一种用于从含氧气体中回收氧气的改进方法，该方法可以长时间工作而不用更换隔膜并且相对于隔膜或金属密封/陶瓷复合材料中的不密封性具有高的误差容许量。

本发明涉及一种在分离装置中使含氧和氮的气体中的氧含量富集的方法，该装置具有被氧传导性陶瓷隔膜分成基质室和渗透室的内部空间，该方法包括以下步骤：

a)将含氧气体压缩并且加热成进料气体，

b)将压缩和加热的进料气体引入分离装置的基质室，

c)将含氧和氮的冲扫气体引入分离装置的渗透室，

d)在基质室中设置压力以使得进料气体的氧气分压造成氧气通过氧传导性陶瓷隔膜进入渗透室中的转移，

e)从基质室中排出贫氧的进料气体，和

f)从渗透室中排出富集氧气的冲扫气体。

与迄今为止的方法相反，根据本发明提出了在渗透侧上使用含氧和氮的气体作为清扫气体。