CN1091633C - 固体电解质膜气体分离过程的反应性冲扫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出用含有元素氧的进料物流生产高纯度产品的方法，其中将进料物流送入至少一台包括用固体电解质膜隔开的进料区和渗透物区的分离器中，向渗透物区提供含有反应性气体的反应性冲扫物流以驱使进料物流中含有的一部分氧从进料区通过膜进入渗透物区，而所述反应性气体与氧组合而在该区建立起低氧分压。然后抽出作为高纯度产品物流的贫氧滞留物。

Description

固体电解质膜气体分离过程的反应性冲扫方法
本发明涉及从混合气体进料物流中分离氧气的方法和设备，尤其是涉及将反应性冲扫物流与固体电解质膜一起用于提纯进料物流。
固体电解质膜是用具有萤石或钙钛矿结构的无机氧化物，典型的是用钙或钇-稳定的锆和类似氧化物制成的。在高温下，这些材料含有可移动的氧离子空位。当给这类氧化物膜施加电场时，该膜会传送氧离子并且仅仅传送氧离子，因此该膜作为对氧有不确定选择性的膜。这类膜用于空气分离过程时是具有吸引力的。最近，又报道了既有离子导电性，又有电子导电性的材料。显示出这类混合导电性的膜在差氧分压下可传送氧，而又不需要施加电场或外加电极。
在传导氧离子的无机氧化物中，由于在氧化物中存在氧空位而会出现氧传送或传输。对于仅仅显示出离子导电性的材料而言，就必须在氧化物膜的相对面上加电极并且通过外加电路而导送电子电流。必须提供电子(并且在氧化物膜的另一侧去除)以便使反应继续下去。
对于既有离子导电性，又有电子导电性的混合导体材料而言，与氧空位流逆流的是内部电子流，而不是通过外加电路的电流。整个传输或传导由邻近混合导电的无机氧化物膜相对侧的物流中的氧分压驱动。在不存在冲扫物流时，将氧带离膜的“渗透”物流是“纯”氧，并且进料和滞留物流均须处于高压(或“渗透”物流处于极低压力下)以便形成氧传动或移动的驱动力。尽管这种没有冲扫物流的膜对于从惰性气流中分离大量氧的操作有吸引力，但是氧回收率受到所施加的压力的限制。而且，所达到的提纯程度也有限。
在专利文献中，已有大量有关应用固体电解质无机氧化物膜的公开文献。Chen et al.在美国专利No.5035726中提出应用固体电解质膜系统从粗氩进料物流中分离氧。Chen et al.应用了电驱动的离子导体而实现气体分离。Chen et al.还提到应用通过维持进料侧氧分压而进行操作的混合导体膜的可能性。Chen et al.也提出从电驱动的离子膜出来的氧既可作为纯氧物流分离，也可与适当的“清扫”气体如氮气混合。
Mazanec et al.在美国专利No.5160713中提出了氧分离方法，其中应用含有铋的混合金属氧化物膜。Mazanec et al.一般性地提出分离的氧可收集起来而进行回收或与消耗氧的物质反应。而贫氧的滞留物质显然要废弃。
在Manazec et al.的美国专利No.5306411中又提出了一系列固体电解质膜在电化学反应器中的用途。已提到可将烟道气或废气中的亚氮氧化物和硫氧化物分别转化为氮气和元素硫。也提到可将反应物气体如轻质烃气体与不干扰所需反应的惰性稀释气体混合，当然并没有说明提供这种混合物的理由。Mazanec的专利并没有公开用含有氧的气流得到高纯度产品的方法。
上述专利和技术文献并没有公开将压力，膜面积，电力或压缩机动力降低到实际上可将所述固体电解质膜应用于通过氧的受控渗透而分离和提纯产品气流所要求的水平的方法或措施。
因此，本发明目的是提出应用至少一种氧离子导电的固体电解质膜和反应性冲扫过程来降低膜的渗透物侧的氧浓度并因而提高氧离子通过膜传输或移动的驱动潜力的改进的高纯度滞留物流生产系统。
本发明另一目的是提出其中压力或动力需求低于现有技术所要求的水平的该类系统。
本发明再一目的是提出其中可减少膜面积或降低冲扫物流速度的该类系统。
本发明包括用含有元素氧的进料物流生产高纯度产品的方法，其中将进料物流送入至少一台包括用能够传输或传送氧离子的固体电解质膜隔开的第一进料区和第一渗透物区的分离器中，向渗透物区提供反应性冲扫物流以从中除去氧并在渗透物区建立起低氧分压而驱使进料物流中含有的第一部分氧从进料区通过膜进入渗透物区，以及在从进料区除去氧后抽出作为产品物流的贫氧滞留物。
在一优选实施方案中，上述分离器设置为第二段并且进料物流最初导入第二分离器的第二进料区，该第二分离器设置为第一段并且具有由第二固体电解质膜与第二进料区隔开的第二渗透物区。优选的是，一或两段也用至少一种类型的稀释物流冲扫。更优选的是，第一渗透物区的至少一部分排出物流送去与反应性冲扫物流混合。
本文中所用的“元素氧”意指未与元素周期表中的任何其他元素结合的任何氧。尽管典型的是二原子形式，但元素氧包括单氧原子，三氧原子和未与其他原子结合的其他形式。
而“高纯度”这一术语意指含有少于5vol％(体积百分比)元素氧的产品物流。优选的是，该产品是至少99.0％纯，优选99.9％纯，更优选的是至少99.99vol％纯，其中“纯”指不存在元素氧。
本技术领域里的普通技术人员从以下对优选实施方案的说明和附图中可以清楚地看出本发明的其他目的，特征和优点。
图1是新型的一段系统示意图，其中应用反应性冲扫物流经固体电解质氧化物膜建立起高得多的氧分压比。
图2是本发明的二段系统示意图。
图3是本发明一段系统另一实施方案的示意图，其中将物流与反应性气体混合。
图4是按照本发明设置的二段压力驱动方法的示意图。
图5是生产高纯度氮气的二段系统示意图。
图1中，本发明提纯系统10包括四开口分离器12，其中具有用氧离子导电的固体电解质膜18隔开的第一进料区14和第一渗透物区16。将含氧渗透物流20送入第一进料区14。进料物流20任选可用压缩机22加压，用换热器24加热和/或用补偿加热器26预热，均以虚线示出。
在进料区14中的氧分压P1高于渗透物区16中的氧分压P2时，氧离子被传输通过膜18。从进料区14得到贫氧的产品物流30并从渗透物区16得到渗透物流32。
物流30，32中保有的热任选通过换热器24而传给进料物流20。用换热器回收该热量后在进料物流接触第一电解质膜之前将其加热也是符合要求的。
用虚线示出的任选真空泵36协助从渗透物区16中抽出渗透物流32。典型的是，渗透物须冷却到100℃以下，优选50℃以下后再到达真空泵。
另一方面，热气渗透物流32可通过虚线示出的膨胀器37膨胀而做功，然后通过换热器24而回收热量。在这种情况下，渗透物区16中的总压力高于大气压。
在该结构中，反应性气体冲扫物流34以与进料物流20呈逆流的形式提供给渗透物区16。在渗透物区16中，不是所有的氧都经反应除去时，冲扫物流逆流比顺流更符合要求。但是，也可用顺流或交叉流方式。
本发明所用的反应性气体优选包括能够在化学计量或高于化学计量(富含燃料)的条件下与元素氧或氧离子反应而在分离器的操作条件下达到低于10-4大气压的平衡氧分压的任何气体。反应性冲扫气体34包括反应性气体如天然气，H2，CO，CH4，CH3OH或可与氧反应或结合而将渗透物区16中的元素氧量降到低氧分压P2的其他气体。“气体”一词指氧分离系统的操作温度下呈气态或蒸汽态的物质。
应用SELIC膜进行的氧分离过程一般要求进料物流(和膜温度)处于高水平，即400℃-1200℃，优选500℃-1000℃，以有效地将氧离子传送通过膜。“SELIC”这一术语指能够传送或传输氧离子的固体电解质离子，混合或两相导体。本发明分离方法一般应用可在放热反应中与氧结合的反应性气体。
在燃烧过程中产生的热量可比SELIC膜进行适当操作所要求的热量多。在一种结构中，该反应通过掺混虚线示出的贫氧的稀释组分物流38而受到控制。适当的稀释组分包括氩，氮，蒸汽和二氧化碳。
对稀释剂加以选择以通过提高组合物流42的热容而控制温升，通过降低反应物的温度或浓度而降低渗透物区16中的反应速度，和/或使渗透物区16中的条件还原性更低。渗透物区16是本发明反应区，使气体还原性更低可提高膜18的化学稳定性。
在该结构中，分离器操作可通过阀40将产品物流30的一部分41分流而冲扫渗透物区16而进一步得到加强。若产品物流足够贫氧，则上述稀释效果就可通过产品冲扫而达到。在一种结构之中，物流38和/或物流41达到组合物流42的10-95％。实际百分比根据稀释剂和反应性气体的相对价格，反应性气体的氧反应性，反应器中要求的最高温度，要求的反应放热量以及SELIC膜的类型和厚度而选择。
在另一结构中，渗透物区16的一部分排出物作为再循环废物流48而通过阀46，这两者均以虚线示出，从而在将反应性冲扫物流34送入渗透物区16之前与该物流34混合。按照虚线所示将废气再循环可获得几方面的好处。废物流48中的水蒸汽或二氧化碳可减少或阻止或抑制焦炭(炭)的形成和沉积，否则这可能污染或遮盖SELIC膜18的表面并降低其性能。在不存在诸如水蒸汽和二氧化碳等物质时，出现高温，烃燃料富裕的条件下也可能焦化。在冲扫物流进口42附近尤其可能出现这些条件，因为反应性冲扫物流34最初在进口42处是富含燃料的并且仅仅随着该气流接近出口44才变得贫燃料。
在燃料不完全燃烧时再循环废气流的另一优点是可将氢，一氧化碳，烃或其他可燃物循环而实现更完全的燃烧以提高燃料效率并减少废物排放量。再循环反应性特别高的氢尤其可在冲扫物流进口42附近提高操作性能。废循环物流48也可减少稀释剂38或产物冲扫物流41的需求量。
另外，再循环物流48可用来调节分离器12中的温度，其中在与反应性冲扫物流34混合之前向物流48增加热量或从物流48排放热量，例如采用换热装置49进行。否则，可能要为反应性冲扫物流34设置换热器或其他外置加热机构。因此，废气循环可按照本发明提高提纯系统的稳定性，可控性和总体操作水平。
在图2中，提纯系统50包括设有第二分离器53的第一段52和设有第一分离器55的第二段54。第二段54应用反应性冲扫物流56，该物流是经选择的反应性气流57和产物冲扫物流58的掺混物。另一方面，外加稀释剂可代替产物冲扫物流58。因此，若图1中分离器12作为第二段，则第一分离器55的操作类似于该第一分离器12的操作。
图2中第一进料区60和第一渗透物区61的氧分压P1和P2之比可通过渗透物区61中的氧反应而提高。但是，第二分离器53则依赖于初始进料物流51中相对高的氧进料mol分数Xf和第二进料区62和第二渗透物区63中的氧分压P1’和P2’达到足以使氧通过膜76的比例。氧分压之差用达到高进料压力的压缩机64，缺氧的冲扫物流65和/或真空泵66建立起来。
来自第二分离器53的中间滞留物流67导向第一进料区60。在这种与传感器69，70并与阀71电连接起来的结构中第二段54包括微处理器68。该微处理器68基于由进口传感器69探测到的物流67中元素氧的流速和/或中段mol分数Xm以及由出口传感器70探测到的第一渗透物区61中的温度优化第一分离器55的操作过程。在另一结构中，传感器70位于渗透物反应区61而不是位于出口物流72中。可探测的参数的变化可使微处理器68调节阀71，从而改变与反应性气流57混合的稀释产物物流58的量，并因而改变反应性物流56的混合比。
在又一结构中，微处理器68用低温阀(未示出)调节反应性气流57的流速。低温调节阀比高温阀71廉价，这在该结构中可用廉价的固定孔代替而作为固定阀71。
如图2中虚线所示，部分或全部废物流72可作为物流49提供，以与冲扫物流65组合或完全作为该冲扫物流。在第二渗透物区63中可能出现一些反应，尤其是在废物流72含有未燃烧燃料的情况下是如此。
在一种结构中，燃料最初在渗透物区61中用点火器80点燃。沿线82输送电能以在渗透物区61中产生火花。燃料57与冲扫物流58反应即可开始最初的燃烧；在中间进料物流67是空气时，应用产物冲扫而引发燃烧就尤其适宜于物流56。
另一方面，初始的外热如来自图1所示补偿加热器26的热量可将图2所示压缩进料物流51和/或67及膜74预热以便引发燃料57自燃。烃燃料如甲烷自燃取决于包括其浓度和元素氧浓度在内的因素。而且，许多SELIC膜材料是具催化性的，这可引发和推动燃烧过程和降低自燃温度。此外，可以颗粒或表面涂层的形式引入氧化催化剂以促进氧化反应。多相表面反应和均相气体反应均可出现，从而消耗氧。
SELIC膜可用各种材料制成，其中包括在1995年5月18日提交的题为“Pressure Driven Solid Electrolyte Membrane Gas SeparationMethod”并公开了两段或多段固体电解质离子和/或混合导体膜的相关美国专利申请Serial No.08/444354中所列的那些材料，该美国专利申请引用于此供本申请参考。另外，还引用于此供本申请参考的是Mazanec et al.的美国专利Nos.5160713和5306411。SELIC膜包括非SELIC结构的载体元件如多孔金属或陶瓷管。
为了简化结构并提高性能，优选使两种SELIC膜74和76成为混合导体膜。在SELIC膜74是如图2仅仅举例示出的纯离子导体膜时，可提供外置电路83，其中包括阴极84，阳极86和导线88，从而使电路完整并因而提供经过SELIC膜的电连接。氧离子由氧化学势梯度驱动而经过SELIC膜74以产生在电路83中形成电流的EMF(电动势)。另一方面，还可外加EMF如供给动力以提高氧离子运动或移动效果。
压力驱动方法对应用于需要使大量氧渗透通过混合导体氧化物膜的情形是有吸引力的。原则上讲，压力驱动方法也可用来从进料物流中分离微量氧。这要求在渗透物侧的氧分压降到低于产品物流侧的氧分压的水平。实际上，按照本发明将进料物流加压达到很高的压力，给渗透物提供极低真空水平，应用具有足够低氧浓度的冲扫气体物流和/或应用反应性冲扫过程即可达到这一点。
应用极高进料压力或极低渗透物压力消耗的动力和资本很密集。因此，非冲扫的压力驱动方法对于分离氧而在产品中达到极低浓度的情形而言在经济上并不具有吸引力。相比之下，常规电驱动方法所要求的高电流量又使能量消耗过于密集而对分离大量氧而言没有吸引力。
优选本发明多段系统可应用不同类型的SELIC膜，不同等级的反应性气体和/或冲扫气体或负压与冲扫过程的不同组合分案。每一段可包括一或多个SELIC膜，可以进料串联或并联设置；而各段以进料串联设置。
在本发明多段系统中，纯离子SELIC膜可与混合导体膜一起设置成不同的方式，优选是在混合导体膜下游设置离子膜。这种方式优化了前置混合导体膜通过压力驱动方法从富氧进料气流中分离大量氧的能力，以及后续设有电极和外置电路的离子膜通过反应性或活性冲扫方法从低氧量进料物流中提取出氧的能力。
没有具有极低氧分压的冲扫气体，混合导体就不适宜于提取氧而达到极低氧分压。在惰性冲扫结构中，设有电极和外置电路的离子导体是没有效的并且要求大量的膜面积，这使其用于分离大量氧时资金投入很密集。
本发明多段系统所用的不同类型的SELIC膜包括有利地用不同离子或混合导体材料构成的膜。例如，在一种结构中，第一段膜包括显示出高氧离子导电性但在极低氧分压下不稳定的混合导体钙钛矿。第二段须由在极低氧分压下具有高稳定性特征的材料构成，即使这种材料的氧离子导电性要比第一段SELIC膜的氧离子导电性低也应是如此。这类混合导体材料的例子可参见美国专利No.5306411(Mazanecet al.)。典型的是，在该第二段所用的材料在低于10-10atm氧分压下须是稳定的，其中反应期间在渗透物区的某些区域存在该压力。
另一方面，在第二段中可用显示出更低氧离子导电性但在低氧分压下稳定的材料如氧化钇稳定的氧化锆“YSZ”(含8wt％(重量百分比)Y2O3的ZrO2)。这种情况下，第二段可进行反应性冲扫过程并且会设有外加电路。
一或多种SELIC材料可在单一膜如在美国专利No.5306411(Mazanec et al.)中公开的多相混合物中的一种之中结合起来以使该膜满足特殊段的要求。而且，可采用不同机械构型如在第一段中或在仅有离子的第二段中采用交叉流几何结构，其中渗透物以与进料和滞留物流呈直角的形式抽出。
图3所示的氧分离系统90包括设有进料区94，渗透物区96和SELIC膜98的分离器92。进料物流100经压缩机102加压，换热器104加热并在需要时用补偿加热器106加热后传送到进料区94。部分贫氧的产品物流108任选可经阀110分流后送去与反应性冲扫物流112混合。
主要由蒸汽构成的稀释物流114在阀116处与反应性冲扫物流112混合。因此，掺混后进入渗透物区96的反应性冲扫物流117的实际组成可通过让选定量的产物冲扫物流经过阀110并让稀释蒸汽经过阀116而加以调节。蒸汽和产物稀释剂的量可调，从而控制温度，提高膜分离或工艺的稳定性并改善操作性能。
优选的是，如虚线所示，在排出物流122中含有的一些热量传给进料物流100，其中让部分或全部废物经过阀124而得到侧流126，该物流经过换热器104而使进料物流100受热后再作为物流130回送入锅炉132和冷凝器136之间的物流125之中。
若需要氧作为副产物，则可对冲扫气体组成加以控制以使进口118附近的氧量低，而出口120附近的氧量高。因此，部分物流126可分流作为低纯度氧产物流128提供。
锅炉132将热从物流125传给水134，因而产生蒸汽114。另一方面，又从外源提供蒸汽流114。在这种结构中，物流125在冷凝器136中进一步冷却并且在水分离室138中抽取水蒸汽以提供水流134；需要时可加补充水140。因此，物流125就变成贫水流142。优选的是，从分离器138得到的水按常规处理以分离二氧化碳或其他不需要的物质，从而降低对锅炉系统的腐蚀。可加虚线所示的泵141以将物流134加压。
若渗透物区96的燃烧量小，即仅有少部分氧经反应分离，则物流142可作为氧产物流。若燃烧接近化学计量或超过化学计量(燃料富裕)，则作为产物，物流142可产生例如二氧化碳，一氧化碳和/或氢。在另一结构中，物流125送到其他地方或废弃，而不抽取水蒸汽。
图4所示的系统150适宜于用进料物流154如空气大量生产低氧浓度滞留物产品152如氮产品。系统150包括作为第二段的第一分离器92’和作为第一段的第二分离器151。包括反应性气体，稀释气体和/或产物冲扫的不同冲扫结构可用于上述图1-3所示的第二段。在这种结构中，第一段任选用贫氧物流153冲扫。可向物流153中加一些燃料以提高操作性能并产生补偿热损失的热量。
进料物流154用压缩机156加压后进入换热器158，其中通过与来自第二分离器151的产物流152和氧副产物流160换热而提高进料物流154的温度。需要时用补偿加热器164进一步提高进料物流的温度。将加热的进料物流送入第二分离器151并且经SELIC膜170，优选是混合导体膜而驱使第二部分被夹带的氧从进料区166进入渗透物区168。渗透物区中的氧分压P2’可任选通过降低出口物流160的反压，用贫氧气体如第二段流出物冲扫或用真空泵(未示出)而降低。因此，作为副产物流160，获得纯氧或富氧物流。
将进料物流排出物172送入第一分离器92’的第一进料区94’并且在来自第二进料区166的进料物流排出物172中含有的第一部分氧被驱动经过第一SELIC膜98’后进入第一渗透物区96’。贫氧氮作为产品物流152。
第一渗透物区96’用包括稀释蒸汽114’和如以上针对图3所述经阀110’分流的产品氮的符合要求的混合物的反应性气流112’冲扫。若可能，可用适当的外加稀释剂，而不用产品氮经过阀110’。一般来说，冲扫物流与产品物流之比为0.05-5。
图5中示出了用进料物流如空气生产高纯度产品如氮的两段SELIC膜系统210。优选的是，两段都应用混合导体SELIC膜。空气流215用外加动力的压缩机216和/或与由膨胀涡轮222驱动的轴220相连的压缩机218加压到5-10巴。冷却器224和226降低空气流215的温度以补偿压缩热。
在预提纯器228如变温或变压吸附装置或聚合物膜装置中从压缩空气流215中除去污物如水和二氧化碳。除去污物的空气流229在换热器230中再升温后作为被加热的进料物流232引入第一SELIC段212的进料区234中。在一种结构中，进料物流232中存在的约30-80％，优选约40-约70％元素氧由氧分压比驱动力传送到总压低的渗透物区236。
中间滞留物流238送入第二SELIC段214的进料区240，其中基本上所有剩余的元素氧再转入反应区242。作为产品物流244，抽出高纯度氮，使其经过换热器230而变成冷却的产品物流250。产品物流244的一部分246如6-9％在中间温度下经节流装置248分流后在预提纯器228中作为低压再生气体。
反应性冲扫物流252进入反应区242并消耗氧以降低氧分压，因而即使在第二段214的高纯度产品端也可保持高分压比。即使用小面积的SELIC膜也可达到工业生产氮的水平。
约10-20％的高纯度产品物流244经阀或孔254分流成为物流253后稀释加压的反应性气体物流256如甲烷。优选的是，反应性冲扫物流252含有足够与反应区242中的所有氧反应的甲烷。在某些情况下，可能需要在第二段214中有少量过剩燃料以在第一段212中提供一些反应性气体，从而补充其加热需求并提高氧分离效果。
而且，反应性冲扫物流252还优选保持在接近，更优选是略低于物流244的压力的总压水平。第二SELIC段214中进料和渗透物侧的类似总压可降低SELIC膜和密封中的机械应力并减少不同高温材料使用期间所遇到的潜在密封问题。
高压低氧渗透物流258经涡轮222膨胀而回收动力如用于驱动压缩机218。在一种结构中，涡轮222是如美国专利No.5460003(Nenov)改进的廉价涡轮增压器，其中该专利引用于此供本申请参考。在另一结构中，涡轮222用位于换热器230下游的物流260中的节流阀代替以便用更少的资本投入而降低渗透物流258的压力。
冷却物流258膨胀后变成低压物流260，在换热器230中再加热后送去冲扫第一SELIC段212的渗透物区236。排出的渗透物流262也因除去污物的进料空气流229而得以冷却后排入大气中。
将反应性冲扫限制在第二段214中可减少燃料消耗并使系统210的热管理易于进行。系统210可进行适当设计以便即使经过涡轮膨胀也保有由注入第二段的燃料反应热而得到的过量热，从而就不需要其他的能源来加热空气并将系统保持在所要求的温度下。
在这种结构中，通过阀270分流部分废物流258而将其作为再循环物流272即可提高热管理效率。在换热器230中从区域274，276取热以使膨胀的物流260受热并从第二段214中外取热；在另一结构中区域276是单独的受热器。为了补偿回路压降，用小型压缩机280使冷却器再循环物流278回到第二段冲扫进口压力。用区域274，276进行再循环物流272的冷却也可导致廉价压缩机280的应用。
然后将加压再循环物流282与反应性气体物流256混合以达到反应性冲扫物流252的温度和含量。例如，若反应性冲扫物流252含略多于渗透物区242的化学计量要求的甲烷，则在再循环物流282中会存在一些剩余氢以在渗透物区242的冲扫进口附近易于使反应停止。
实施例
下表I中已定量列出了应用反应性冲扫过程从含有2％氧的氮进料物流生产高纯度N2的数据，其中采用类似于图1所示分离器12单段SELIC系统，但没有虚线所示设备。工艺压力和进料物流用加压的进料氮源建立起来。反应性冲扫物流也处于1.1atm下并且由40％氢和60％氮构成，这模拟了将氢与作为稀释剂冲扫物流的部分产品氮掺混的情形。所得产品物流是99.9999％无氧氮。
表I
材料 其组成如美国专利No.5306411(Mazanec et al.)所述的AsA’tBuB’vB”wOx类材料之一，其中：A是镧系元素或Y或其混合物；A’是碱土金属或其混合物；B是Fe；B’是Cr或Ti或其混合物；B”是Mn，Co，V，Ni或Cu或其混合物；而s，t，u，v，w和x是如下定义的数值：s/t等于约0.01-约100；u等于约0.01-约1；v等于0-约1；w等于0-约1；x等于满足A，A’，B，B’，B”在该化学式中的化学价的数值；以及0.9＜(s+t)/(u+v+w)＜1.1
SELIC面积 14cm3
厚度 0.13cm
工艺压力 1.1atm
工艺温度 1000℃
进料物流 (N2中2％O2)的750sccm
冲扫物流 (N2中2％O2)的250sccm
进料O2浓度 2％
产品O2浓度 ＜1ppm
从上表中可以看出：可以设计出有效的工艺和装置来从气流中分离氧，其中采用传输氧离子的固体氧化物电解质作为膜。通过采用也具有明显电子导电性的电解质(混合导体)，分离方法可以是压力驱动的，而不需要电极和施加电压。在采用或不采用真空泵的情况下，在渗透物侧应用反应性冲扫过程均可大大提高压力驱动方法的适应能力和效率。
反应性冲扫过程也可使设有电极和外加电路的离子导体应用于高纯度滞留物生产过程。在该方案中，在该段中可作为副产物而生产电力。
将提纯方法分成两或多段并且后续段中进料侧和渗透物侧均在低氧分压下操作即可使操作过程得以明显改善。按上述用含氧浓度逐渐降低和/或反应性气体量逐渐增大的气流进行冲扫和/或用真空泵逐渐降低压力即可在渗透物侧达到逐渐降低的氧分压。
例如，在用空气生产高纯度氮的情况下，第一段优选分出约30-约80％，更优选约40-约70％进料物流中含有的氧。反应性冲扫物流的压力优选低于进料物流的压力，并且更优选是处于略低的压力下以有利于密封并降低机械应力。对第一段中的SELIC膜加以选择以在相对高的氧分压下达到高导氧性或氧导电性并且对第二段中的SELIC膜加以选择而在相对低的氧分压下获得稳定性。
将初始混合导体的SELIC段与后续只是离子导体的SELIC段组合起来即可用该混合导体段分离出大量氧，而用离子导体段分离出最后的微量氧，从而得到高纯度无氧产品如氮或氩。
尽管以上已提到如图5所示稀释物流如废循环物流282和产物冲扫物流253优选与反应性气流混合起来后再让组合的冲扫物流通过单一进口而进入渗透物区，但在本发明其他结构中可让一或多种稀释物流通过分开的进口。稀释物流可在将反应性气体引入渗透物区期间或之后与反应性气体混合。
本发明具体的特征已在一或多幅图中示出了，但这仅仅是为了方便起见，因为本发明中每一特征可与其他特征组合。本技术领域里的普通技术人员会明白本发明当然还有其他实施方案，这在本发明权利要求书中已作了定义。

Claims (10)

1.用含有元素氧的进料物流生产高纯度产品的方法，其中包括：
将所述进料物流送入包括用能够传输氧离子的第一固体电解质膜隔开的第一进料区和第一渗透物区的第一分离器中；
向所述第一渗透物区提供反应性吹扫物流以驱使所述进料物流中含有的第一部分氧从所述第一进料区通过膜进入所述第一渗透物区，所述反应性吹扫物流包括与氧组合而在所述第一渗透物区建立起低氧分压的反应性气体；以及
在已从所述第一进料区除去第一部分氧后抽出贫氧产品物流。
2.权利要求1的方法，其中所述反应性吹扫物流包括贫氧稀释组分。
3.权利要求1的方法，其中所述反应性吹扫物流包括一部分所述第一进料区排出的物流。
4.权利要求1的方法，其中还包括将至少一部分所述第一渗透物区排出的物流送去与所述反应性吹扫物流混合。
5.权利要求1的方法，其中还包括将所述第一分离器设置为第二段并最初将所述进料物流送入至少第二分离器的第二进料区，所述第二分离器设置为第一段并且具有用第二固体电解质膜与所述第二进料区隔开的第二渗透物区；
驱使所述进料物流中含有的第二部分氧从所述第二进料区经过所述第二膜而进入所述第二渗透物区；以及
将第二部分氧从所述第二进料区分出后获得的贫氧进料物流送入所述第一分离器的所述第一进料区。
6.权利要求5的方法，其中送入所述第一渗透物区的所述反应性吹扫物流包括贫氧稀释剂组分，对该组分加以选择以实现至少一个下列的操作：降低所述反应性气体与氧组合的速度，控制所述第一分离器中的温升和使所述第一渗透物区的化学条件还原性更低。
7.权利要求6的方法，其中为所述第一和第二分离器中的至少一台驱动氧的步骤包括将从所述第一和第二进料区中的至少一个区排出的一部分物流分流后吹扫该分离器的渗透物区。
8.权利要求7的方法，其中所述第一和第二膜中的至少一种膜包括混合导体膜。
9.权利要求8的方法，其中所述第二段中的所述第一膜是离子膜，而所述第一分离器的驱动步骤包括提供通过所述第一膜的电连接。
10.权利要求5的方法，其中还包括将来自所述第一渗透物区出口的吹扫物流送到所述第二渗透物区的进口。
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