CN1205911A - 综合固体电解质离子导体分离器－冷却器 - Google Patents

Abstract

一种生产氧气气流、富氧气流或作为渗透气流的反应产物气流和缺氧滞留气流的方法,其首先从进料气流中分离出氧气,然后至少冷却渗透气流。该渗透气流的生产和冷却发生在具有至少一种离子迁移隔膜的同一装置中。

Description

综合固体电解质离子导体分离器-冷却器

本发明涉及用在气体分离系统中的固体电解质离子导体装置结构。特别是，本发明涉及气体分离、可能的反应和冷却作用集中在单一装置内的固体电解质离子导体系统。

本发明是在国家标准和技术机构颁发的合作协议7ONANB5H1065号下与美国政府一起作出的。在本发明中美国政府有一定的权利。

在此引入同时申请的题目为“固体电解质离子导体反应器设计”，美国系列号-------[Attorney Docket No．D-20352]的申请作为参考。

非低温大容量氧气分离系统，例如有机聚合物隔膜系统，已经被用来从空气和其它气体混合物中分离选择的气体。空气是一种包含不同数量的水蒸气的混合物，且在海平面上具有下列近似的体积组成：氧气(20．9％)、氮气(78％)、氩气(0．94％)、其余的由其它微量气体组成。然而，可以使用由某些无机氧化物制成的完全不同类型的隔膜。这些固体电解质隔膜由无机氧化物制成，一般是由具有萤石或钙钛矿结构的钙-或钇-稳定的氧化锆和类似的氧化物制成。

虽然作为气体分离隔膜的这些氧化物陶瓷材料的潜能是大的，但是在它们的使用中还存在某些问题。最明显的困难是所有的这些已知的氧化物陶瓷材料只在高温下呈现明显的氧离子导电性。它们必须在500℃，通常在600-900℃下运行好。尽管人们进行了许多研究以发现在低温下工作良好的材料，但是这些限制仍然存在。Prasad等人在美国专利号5547494，题目为StagedElectrolyte Membrane中更详细地描述了固体电解质离子导体技术，引入该文献作为参考来更完全描述本领域的现状。

最近的研究已经开发出了固体氧化物，该氧化物在使用化学或电学驱动势能时，在升高的温度下可以传导氧离子。如果使用足够的氧气分压比来提供化学驱动势能，那么这些由压力驱动的离子导体材料可以用作从含氧气流中提取氧气的隔膜。因为这些材料对于氧气的选择生是无限的，而且可以获得数量比聚合物隔膜高几个数量级的氧气流量，对于生产氧气以及需要氧气氧化的方法，特别是涉及高温的应用来说创造了吸引力的机会。一个显著的例子是气体涡轮循环，该循环一般处理大量的过量空气以保持涡轮入口的温度在现有材料的能力范围之内，因此可以将过量的氧气作为副产品回收。

在技术文献中已经提出了本领域使用固体电解质离子导体的空气分离技术状况的进展。例如，Mazanec等人的美国专利号5306411，题目为SolidMulti-Component Membranes，Electrochemical Reactor Components，Electrochemical Reactors and Use of Membranes，Reactor Components，和Reactor for Oxidation Reactions涉及将含氧气体与耗氧气体反应的电化学反应器，并描述了筒体和管式反应器，其中含氧气体在固体电解质隔膜的一侧流动，而耗氧气体在另一侧流动。然而，Mazanec等人没有提出与维持隔膜表面在所希望的均匀温度的热的布置、完成有效物质转移的流体动力学有关的问题，或提出需要将反应动力学与氧离子导电性平衡来保持材料稳定性所需的适当氧气分压。

Kang等人的美国专利号5565017，题目为High Temperature OxygenProduction with Steam and Power Generation涉及将离子迁移隔膜与气体涡轮集成的系统，用于在其加热和加入水蒸气之后从滞留气流中回收能量。

Kang等人的美国专利号5516359，题目为Integrated High TemperatureMethod for Oxygen Production涉及使用水蒸气和惰性气体作为隔膜分离器的清扫气体。Kang等人的专利既没有公开可能的装置的设计，也没有考虑使用离子迁移反应器，其中通过从反应产物气流中排除氮气，使它们可以用作离子迁移分离器的吹扫或清扫气流发生器。

在Dyer等人的美国专利号5599383中公开了一种管状固态隔膜组件，具有许多管状隔膜装置，每个装置具有无通道的多孔载体和附在其上的致密的混合导体氧化物层。每个装置的多孔载体是与一个或多个分流管或导管流动连接以排放已经渗透过致密层和多孔载体的氧气。

Westinghouse已经研制出具有管状设计的固体氧化物燃料电池，例如在PowerGen 1995-美国研讨会，在Anaheim，California，十二月5-7日，1995，Frank P．Bvec和Walter G．Parker，SureCELLTM Integrated SolidOxide Fuel Cell Power Plants for Distributed Power Applications的文献中描述的那样。此文献涉及管状固体氧化物燃料系统，该系统其外部几何结构与本发明的某些几何结构相似，但是该几何结构不会涉及由本发明的固体电解质反应器执行的功能。Bvec和Parker描述了一种闭端燃料电池元件，其中通过同轴内管将空气供应到固体电解质隔膜的阴极侧，这导致在进入发生氧气迁移的阴极通道之前预热该空气。然而Bvec和Parker没有提出热布置和流体动力学的论点。

另外，与本发明不一样，Westinghouse装置不是产生热或所希望的阴极侧的产物的反应器，而是产生电力的燃料电池，因此不能使用混合的或二元相导体作为电解质。而且，Westinghouse固体氧化物燃料电池方案(参看图4)也是低压装置，而本发明的反应器至少在固体电解质隔膜的一侧看到高压。因为在两侧的压力差小，没有提出密封的问题，虽然它在本发明中起着明显的作用。Westinghouse燃料电池方案的特点在于也有用于进料空气的同心内管，然而，没有考虑离子迁移氧气分离器碰到的装置方案的实际问题。

因此，本发明的目的是提供使用固体电解质离子导体系统的有效方法，其中气体分离、可能的反应和冷却功能集成在同一个装置内以最大程度地使用常规的材料和常规的结构方法。

本发明的第二个目的是使本发明的固体电解质离子迁移系统集成到高温循环例如气体涡轮中。

本发明的第三个目的是提供能够使用用于离子迁移分离器的渗透或阳极侧的纯净气流以增强氧气的回收，同时又不影响上述的优点。

本发明的第四个目的是将反应部分集成到该产生由反应产物组成的纯净的水蒸气的装置中，它位于同一个管状通道内，在分离器部分的上游，以清洗该分离器的渗透的阳极侧来增强氧气回收，而不影响上述讨论的优点，因此将用离子迁移隔膜分离气体所需要的多数单元操作集成在单个装置中，大大简化了工艺布局。

本发明包括生产作为渗透气流的氧气气流或富氧气流和作为滞留气流的缺氧气流的方法，其首先从包含元素氧的进料气流中分离出氧气，然后在同一个分离器-冷却器内冷却因此获得的氧气气流或富氧气流。该分离器-冷却器有一个分离器部分和冷却部分以及氧气产物出口部分，其中分离器部分包括具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜。该方法包括步骤：(a)将进料气流压缩；(b)将压缩的进料气流分成主气流部分和次气流部分；(c)加热主气流部分；(d)将加热的主气流部分引入该装置的分离器部分；(e)将次气流部分导入氧气产物出口附近的该装置的冷却部分；(f)通过分离器部分的离子迁移隔膜从加热的主气流部分中除去氧气，从而在隔膜的渗透侧得到热的富氧气流，而在隔膜的滞留侧获得缺氧气流；和(g)将热量从富氧气流中传递到次气流部分，以产生氧气气流或富氧产物气流和加热的次气流部分，其中次气流部分或排出该装置，或在加热的次部分气流部分引入该装置的分离器之前与加热的主气流部分合并，以及将缺氧气流排出该装置。

在本发明优选的具体方案中，分离器-冷却器还包括反应器部分，其包括具有渗透侧和滞留侧的离子迁移隔膜来建立单个的反应器-冷却器装置或单个的反应器-分离器-冷却器装置。在反应器-分离器-冷却器装置中，将反应气流引入到该装置反应部分的离子迁移隔膜的渗透侧，与渗透通过离子迁移隔膜的离子迁移隔膜的在渗透侧附近的第二次氧气气流反应，产生用于吹扫该装置分离器部分的离子迁移隔膜渗透侧的反应产物气体，该反应产物气流和第一次氧气气流与第二次氧气气流中任何未反应的氧气组合为富氧气流，排出该装置，而缺氧气流独立地排出该装置。可以将该装置分离器部分的离子迁移隔膜和该装置反应器部分的离子迁移隔膜集成在一起，更优选地，该装置分离器部分的离子迁移隔膜包括多孔的载体并且由在高氧气分压下具有高氧气传导率的离子迁移材料组成，而该装置反应器部分的离子迁移隔膜由在低氧气分压下具有最佳稳定生的混合导体层组成。

本发明还包括一种生产缺氧气流和作为渗透气流的反应产物气流的方法，其首先从含有元素氧的进料气流中分离氧气生产缺氧气流和热反应产物气流，然后在同一个反应器-冷却器装置中将热反应产物气流冷却，获得反应产物气流。该反应器-冷却器有反应器部分和冷却部分以及反应产物出口。反应器部分包括具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜。该方法包括步骤：(a)将进料气流压缩；(b)将压缩的进料气流分成主气流部分和次气流部分；(c)将主气流部分引入该装置的分离器部分；(d)将次气流部分引入反应产物出口附近的该装置的冷却部分；(e)通过在该装置反应器部分的离子迁移隔膜的渗透侧引入反应气流与渗透过离子迁移隔膜的在渗透侧附近的离子迁移隔膜的氧气气流反应，在离子迁移隔膜的渗透侧生成热反应产物气流，而离子迁移隔膜的滞留侧生成缺氧气流通过反应器部分的离子迁移隔膜从主气流部分中除去氧气；和(f)将热量从热反应产物气流中传递到次气流部分中生产反应产物气流和加热的次气流部分，其中将次气流部分或排出该装置，或在加热的主部分气流部分引入该装置的反应器之前与加热的主气流部分结合，而且其中将缺氧气流排出该装置。此应用的例子包括燃烧器、离解装置、共生气体(syngas)同生产或其它氧化工艺。

在本发明优选的具体方案中，在其引入到该装置的反应器部分之前，将主气流部分加热到中间温度。在本发明另一个优选的具体方案中，反应产物气流中基本上没有氮气。在本发明另一个优选的具体方案中，该装置的反应器部分的离子迁移隔膜和用于运载反应产物气流通过该装置冷却器部分的导管是集成形成的。

本发明还包括一种通过在反应器-分离器装置内从含氧元素的进料气流中分离氧气来生产富氧气流和缺氧气流的方法。该反应器-分离器装置有分离器部分和反应器部分。其中分离器部分和反应器部分包括至少一种具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜。该方法包括步骤：(a)将进料气流压缩；(b)将压缩的进料气流引入该装置和从反应产物气流中传递热；(c)通过该装置的反应器部分的离子迁移隔膜从加热的进料气流中除去氧气，在隔膜的渗透侧生成反应产物气流，而在隔膜的滞留侧生成缺氧气流；和(d)在该装置的分离器部分中通过离子迁移隔膜的迁移从部分去氧的气流中除去另外的氧气，在隔膜的滞留侧产生缺氧气流。将反应气流引入该装置反应器部分中离子迁移隔膜的渗透侧，与迁移过隔膜位于渗透侧附近的氧气反应，生成用于吹扫该装置分离器部分中离子迁移隔膜的渗透侧的反应产物气流，以及反应产物气流与未反应的迁移氧组合在一起作为富氧气流排出该装置。优选地，将缺氧气流独立地排出该装置。

在本发明优选的具体方案中，该装置的分离器部分的离子迁移隔膜和该装置反应器部分的离子迁移隔膜完整形成。在本发明的另一个优选的具体方案中，该装置的分离器部分的离子迁移隔膜包括多孔的载体且由在高氧气分压下具有高氧气传导率的离子迁移材料组成，而该装置的反应器部分的离子迁移隔膜由在低的氧气分压下具有最佳稳定性的混合导体层组成。在本发明的另一个优选的具体方案中，反应气体在引入该装置的反应器部分之前被加热。

这里使用的术语“元素氧”意思是指未与周期表中其它任何元素结合的氧。尽管一般是双原子的形式，但元素氧包括单氧原子、三原子臭氧和未与其它元素结合的其它形式。

这里使用的术语“反应器”意思是迁移氧气进行化学反应和消耗氧气的分离器。而按照本发明，有时使用术语“反应器”和“分离器”来描述该装置的不同部分，这里也使用术语“分离器”来广义地描述反应器和／或分离器部分。

从下面本发明优选的具体方案的描述和附图中，本领域的技术人员会明白本发明的其它目的、特点和优点，其中：

图1A是本发明的一个具体方案的示意图，表示固体电解质离子导体分离器-冷却器的基本方案，其特点在于以带有封闭的和自由浮动端的离子迁移管；

图1B是表示该装置的分离器部分的离子迁移管与该装置的冷却部分的金属管如何通过焊接、钎焊、或机械连接这些管来实现密封连接的细节的示意图；

图2是表示固体电解质离子导体反应器-分离器-冷却器的基本方案，其特点在于带有轴封的离子迁移通过管；

图3是本发明的具体方案的示意图，表示固体电解质离子导体分离器-冷却器的基本方案，其特点在于带有封闭的和自由浮动端的离子迁移管；

图4是本发明的另一个具体方案的示意图，表示固体电解质离子导体反应器-分离器-冷却器的基本方案，其特点在于带有封闭的和自由浮动端的离子迁移管；

图5是表示固体电解质离子导体反应器-冷却器的基本方案的本发明的具体方案的示意图，其特点是离子迁移通过管带有轴封并能够冷却滞留气流和渗透气流；

图6是表示固体电解质离子导体反应器-冷却器的基本方案的本发明的另一个具体方案的示意图，其特点在于带有封闭的和自由浮动端的离子迁移管；

图7是表示离子迁移管的横截面示意图，其中该装置的反应器部分的离子迁移膜、该装置的分离器部分的离子迁移隔膜和该装置的冷却器部分的导管整体形成；

图8是表示使用本发明的反应器-分离器-冷却器的完整的氧气／氮气分离循环的示意图；和

图9是集成到其它涡轮循环中的本发明的离子迁移反应器-分离器-冷却器的示意图。

本发明提出的有些关键问题涉及使气体扩散阻力达到最小、避免来自热膨胀和复合膨胀和收缩引起的过多应力，以及将离子迁移组件密封在离子迁移装置内。后一个问题由于离子迁移隔膜的运行温度是在500-1100℃范围内而更严重。本发明在优选的具体方案中使用了管式的离子迁移组件，消除了由于使用了封闭端的管和在此端上自由浮动而产生的上述应力。通过在同一个装置中将离子迁移分离和／或反应功能与氧气冷却组合在一起也基本上减少了密封的问题。如后面讨论的那样，这样可以优选地使管管板连接保持在180-300℃的范围内，并且允许使用常规的技术，例如焊接、钎焊或机械方法实现来密封。在优选的方法中，部分进料空气绕过燃烧器或加热器并用作冷却氧气产物或排出反应产物气流的散热片。用提供高横向气流速度的挡板布局或使用小流动通道水利半径来减小对高压气体的扩散阻力。

其它功能，例如间接加热第三气流或用合适的固体电解质隔膜分离氧气产物气流，被集成在一起以达到最佳的简单性，同时满足前面所述操作要求。

本发明提供了固体电解质反应器必需满足以达到可行和实用的所有功能要求，并公开了反应器功能如何有利地与其它操作结合。具体地说，本发明引入热交换方法，例如从固体电解质离子导体组件中除去反应热，因此将固体电解质反应器离子导体组件保持在十分恒定的温度。这可以按照需要选择合适的热交换表面的几何结构和合适的局部流动速度而改变局部热交换系数来完成。同时，高的湍流或窄的通道面积可以保证氧有效质量迁移到阴极表面和反应物迁移到隔膜的阳极表面。另外，注意通过平衡局部氧气气流和反应动力学保持阳极表面上或附近的氧气分压为足够高的水平以延长所使用的特定的混合或双相导体。这一方面可以通过选择其有适当离子传导率和厚度的隔膜和另一方面通过催化剂材料和或表面积来控制催化活性来完成。

如上所述，本发明利用许多基本的方法来减轻或消除在离子迁移分离器装置碰到的问题。在图中显示的本发明至少一些各种具体方案中存在的最大的优点如下：(ⅰ)自由浮动和封闭的管端避免了由于不同的热膨胀或复合膨胀产生的应力；(ⅱ)将冷却器引入离子迁移分离器装置中不需要带有管板和壁的分开的和昂贵的高温氧气冷却器；(ⅲ)在同一装置中分离器与冷却器的结合使管板保持在中温，允许采用相对廉价材料和常规的管管板连接，达到适当的高设计应力；(ⅳ)绝热容器允许在壳中使用廉价的结构材料；(ⅴ)使用挡板和高气体速度增强了物质和热量的传递；(ⅵ)使用部分含氧进料气体提供了用于冷却氧气产物气流的散热片；(ⅶ)简化了安装和管道。

在本发明的具体方案中使用的固体电解质离子导体管通常是由厚壁固体氧化物混合的或二元相导体组成，或者由多孔基体承载的薄膜固体氧化物混合的或二元相导体组成。当由通过固体电解质离子导体隔膜的氧气分压之比引起的化学势能差在整个固体电解质离子导体隔膜表面上保持住时，固体电解质离子导体材料在500-1100℃的温度范围内于前述氧气分压下必须能够传导氧离子和电子。适合的固体电解质离子导体材料是表I列出的钙钛矿和二元相金属-金属氧化物的结合。因为在许多应用中固体电解质离子导体隔膜的阳极侧的反应环境产生非常低的氧气分压，所以表Ⅰ中含铬的钙钛矿可以是优选的材料，这是因为在这种环境中这些材料趋于稳定，即，在非常低的氧气分压下它们不会化学分解。任选地，当需要时，可以将增强化学反应和／或实现高交换表面积的多孔催化剂层加入到固体电解质离子导体隔膜的两侧来增强在这些表面上的化学反应。然而，这些多孔的催化剂层可以是与在离子迁移管中使用相同的钙钛矿固体电解质材料。另一方面，该固体电解质离子导体隔膜的表面层可以是掺杂的，例如用钴掺杂，以增强表面交换动力学。表Ⅰ

在此方案中，平衡局部氧气流和反应动力学以保证局部氧气分压处于材料具有稳定性的压力，即对于目前已知材料来说，一般为10-15大气压，这一点也是重要的。氧气流量是复杂的函数，它取决于材料离子的传导率、固体电解质壁的厚度、反应动力学、燃料的分压和催化活性，催化活性受催化剂的选择和催化剂扩大的面积的影响。在固体电解质管的反应侧的流动可以是逆流或顺流。在某些环境下，气体流动的方向可能是重要的，因为它将影响局部反应动力学和氧气分压环境。后者对氧气流量、材料稳定性和复合压力有影响。

通常，在引入该装有的反应器部分之前，将主气流部分加热到中间温度，这提高工艺的效率。然而，如果该装置包括反应器部分，并希望使反应器从渗透的氧气气流与反应气流的反应生成的热的能力达到最大，那么在其引入该装置之前不加热主气流部分。

图1A表示了离子迁移分离器-冷却器的示意图。通常，将含有元素氧的进料气流压缩并分成两部分送入分离器-冷却器装置中。当冷进料气流2次气流部分的，直接送入该装置中时，在使用主气流部分之前通常将其加热产生热进料气流1。在运行过程中，热进料气流1被引入到分离器部分30中，而在温度优选为80-250℃范围内，冷的进料气流2被送入冷却器部分32中。因为在该装置的分离器部分301和冷却器部分32中气流压力基本上相等，所以只需要挡板11来分离两部分。挡板11不需要隔热但是可以隔热。离子迁移分离器-冷却器管5横穿30和32两部分。离子迁移分离器-冷却器管5在该装置的上端被封盖和自由浮动，在该装置的底部被连接和密封到管板4上。因为管板4是在小于300℃的温度下，所以可以使用标准的连接技术，例如焊接、钎焊或局部管膨胀(滚动)、0型圈、或其它机械方法来实现离子迁移分离器-冷却器管5-管板4的连接。离子迁移管5必须能够自由膨胀以适应由于热膨胀和复合膨胀导致的轴向增长。隔热层15使该装置的含结构压力壁15隔热，从而允许使用标准的结构材料，例如不锈钢或碳素钢。

在该装置的分离器部分30和冷却器部分32都可以使用管5。因为制成离子迁移分离器-冷却器管的材料在高温下将传导氧离子，但是在低温下基本上是不渗透的，它可以用作分离器部分30中的分离隔膜和冷却器部分32中的热交换表面。为了实现所要求的高氧气流量，优选由薄的致密分离层多合材料制成分离器-冷却器管5，该分离层由多孔基体承载。这种分离器-冷却器管5的致密分离层是由在高氧气分压下具有高氧离子传导率的材料组成。如上所述，合适的材料是表I中的混合的和二元相导体。优选的材料是La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-o。多孔基体可以由相同的材料组成或由一层或几层在操作温度下化学性与相邻材料相似的其它材料组成。可以替换的材料是不太昂贵的氧化物，例如氧化锆、二氧化铈、三氧化二钇、氧化铝或例如含铬-镍的超级合金的金属。任选地，可以在离子迁移部分的滞留侧和渗透侧用多孔催化剂层涂覆分离器-冷却器管5来分别提高氧气的分解和合成。在阳极(渗透)侧，催化作用是由与致密的分离层相邻的或连接的多孔层执行。

因为离子迁移分离管可能比冷却器管更昂贵，所以它适合使用金属冷却器，该冷却器通过焊接或钎焊用位于冷却器部分上部的接头连接到离子迁移分离器上。这种连接的细节如图1B所示。在图1B中说明的分离器-冷却器管5有三部分：具有金属化端的离子迁移管48，套管49和冷却管50。离子迁移管48和冷却管50的管端被铜焊或熔焊在套管49上。另一种选择是分离器部分30和冷却器部分32使用相同的基体管，但对冷却器部分32中的分离器一冷却器管5部分中的离子迁移层采用便宜的致密的密封层来代替。如果使用金属的多孔层，这尤其有吸引力。

回到图1A中，热进料气流1流过由挡板10控制的分离器一冷却器管5的外表面。来自热进料气流1的氧气渗透过分离器-冷却器管，5从而产生在分离器-冷却器管5内部热氧气气流8。去除氧气的热进料气流1变成缺氧气流12并排出该装置的分离器部分30。当冷进料气流2横向逆流流向由挡板10控制的分离器-冷却器管5内部的热氧气气流8中时，热氧气气流8从分离器部分30流向冷却器部分32中并通过与冷进料气流2热交换而冷却成氧气产物气流18，其通过产物出口20排出该装置。现在处于高温下的冷进料气流2作为热气流17而抽出，并且可以加入到热进料气流1中。另一方面，例如，在该装置中热气流17可以用穿过挡板11导管34与热进料气流1连接。如上所述，由热气流17增加的热进料气流1横向逆流流过分离器部分30，进入到热氧气气流8中，而氧气渗透过分离器-冷却器管5。

图2是本发明的另一个具体方案的示意图，表示了包括离子迁移通过带有轴封装置54的管的固体电解质离子导体反应器-分离器-冷却器的基本方案。如图1A所示，含有元素氧的进料气流被压缩并分成两部分送入反应器-分离器-冷却器装置中。在运行过程中，进料气流61被引入反应器部分51中而冷进料气流62被送入冷却器部分53中。离子迁移反应器-分离器-冷却器管55穿过所有部分51、52和53。离子迁移反应器-分离器-冷却器管55在该装置的上端通过轴封装置54或带有风箱的固定密封连接到管板64上且在该装置的底部连接并密封在管板65上。因为管板65将处于小于300℃的温度下，所以可以使用标准的连接技术例如焊接、钎焊或局部的管膨胀(滚动)、0型圈、或其它机械方法来实现离子迁移反应器-分离器-冷却器管55对管板65的连接。然而，管板64和65是在更高的温度下和通常使用不同的方法来实现密封。虽然没有表示出来，隔热部分使该装置含结构压力的壁70隔热，从而允许使用标准的结构材料例如不锈钢或碳素钢。

在该装置的反应器部分51、分离器部分52和冷却器部分53中可以使用管55。如图1A和1B所述的那样，离子迁移分离和反应管可能比冷却管更昂贵，因此它适合于使用金属冷却管，该管通过焊接或钎焊与位于冷却器上部的接头一起连接到离子迁移分离器的管和离子迁移反应器的管上。另一方面，可以使用在各部分51、52和53具有不同组成的单个复合管，以使各部分的特殊作用达到最佳。这种复合管的横截面如图7所示。在这些复合管中，多孔基片251承载一薄的致密分离层。采用在低氧气分压下具有最佳稳定性的多合导体层252涂覆该管的反应器部分，采用在高氧气分压下具有高传导率的材料253涂覆分离器部分，以及用廉价的密封层254涂覆该管的冷却器部分。如图1B所示，该管的冷却部分可以用不同的材料(例如金属)制成，并被连接到包括反应器和分离器部分的复合离子迁移管上。因此，在该装置的反应器部分51、分离器部分52和冷却器部分53中可以使用同一个复合管。

回到图2中，进料气流61流过由挡板60控制的隔层管56的外表面并通过与隔层管56热交换而加热，并流入在反应器-分离器-冷却器管55的外表面和隔层管56的内表面之间形成的同心的环形通道68。隔层管56通过该装置的分离器部分52延伸到反应器部分51之外。反应气流，例如任选地用蒸汽稀释的甲烷，沿着反应器-分离器-冷却器管55流动，并与从通过反应器-分离器-冷却器管55的进料气流61中渗透的氧气反应，从而在管55的内部产生反应产物气流73。当反应气流72由甲烷或另一种烃组成时，如果有过量的燃料或氧气，如果该过程是在缺燃料的情况下进行，那么反应产物气流73主要是二氧化碳和水，燃烧的正常产物，和未反应的燃料。优选地，当在分离器部分中的反应条件不利于离子迁移材料时，在分离器部分52中不会存在过量的燃料。

由反应气流72与渗透的氧气反应产生的热通过对流和辐射方法从反应器-分离器-冷却器管55的反应器部分51传递到隔层管56，并从这里传递到在隔层管56的外部流动的进料气流61中。通过变化的挡板间隔或绝缘来调节局部的热传递系数以产生合理的均匀的反应器-分离器-冷却器管55的温度。同时，由挡板60控制的冷进料气流62在该装置的冷却部分53中流动，在反应器-分离器-冷却器管55中将该气流冷却，并且所获得的处于高温下所得到的气流与进料气流61一起流入同心的环形通道68中。反应产物气流73流到该装置的分离部分52并吹扫反应器-分离器-冷却器管55的分离器部分52来增强通过隔膜的化学驱动势能，以便氧气渗透通过管55产生富氧产物气流74，该气流被流动的冷却的进料气流74冷却并且含有氧气和在该装置的反应器部分51中产生的反应产物。富氧产物气流74通过产物出口排出该装置。处于高压下的缺氧产物气流也可以回收。

在图2所示的本发明的具体方案说明了可以使用吹扫气流，例如来自离子迁移反应器的蒸汽或反应产物(二氧化碳和水)，来清扫离子迁移隔膜的阳极，因此降低了阳极处的氧气分压和增加了氧气分离的驱动力，导致较小的分离器面积和／或回收包含在进料气体中的大量氧气。图2和图3表示了改进的基本分离器-冷却器装置，其允许使用这种吹扫气体，同时保持前面所述的分离器-冷却器的所有优点。在图3中表示的本发明的具体方案(下面讨论)不同于图2的具体方案，其中图2的具体方案在该装置内的反应器部分产生吹扫气体，而图3中使用的吹扫气体可以由其它地方产生或由外源提供。

图3是本发明的具体方案的示意图，表示固体电解质离子导体分离器-冷却器的基本方案，特点是带有自由浮动的密封端的管和用于燃料或外部产生的吹扫气流的内部吹扫进料管。如图1A所示，包含元素氧的进料气流被压缩并分成两部分送入反应器-分离器-冷却器装置中，并且一部分被加热。在运行的过程中，热进料气流91被引入反应器部分100内而冷进料气流92被引入到冷却器部分101中。离子迁移分离器-冷却器管95横过该装置的分离器部分100和冷却器部分101。在该装置的上端，离子迁移分离器-冷却器管95是密封的和自由浮动的，且如图所示在该装置的底部连接到管板94上。如前所述，因为管板94将处于小于300℃的温度下，所以可以使用标准的连接技术来实现分离器-冷却器管95-管板94连接。同样地，绝缘体105将该装置含有结构压力的壁106绝缘，从而允许使用标准的建筑材料。如图1A所示，在该装置的分离器部分100和冷却器部分101中也可以使用相同的管95，而且也可以如上面讨论的那样构造。

热进料气流91流过由挡板120控制的分离器-冷却器管95的外表面。同时，吹扫气流108流过该装置并用连接到管板96上的吹扫进料管110来引导。当吹扫气流108进入该装置中并通过与环形通道112中的热产物气流热交换而加热时，其基本上与冷空气流92处于相同的温度(100℃-300℃)。然后，吹扫气流流入在分离器-冷却器管95的内表面和吹扫进料管110的外表面之间形成的同心的环形通道112中。吹扫进料管110几乎延伸经过分离器-冷却器管95的整个长度。当吹扫气流108流过分离器-冷却器管95的外表面和作为缺氧气流114排出该装置时，其冲洗分离器-冷却器管95的渗透侧且增强从热进料气流91中提取氧气，这可以作为产物回收。同时，冷进料气流92由挡板120控制，在该装置的冷却部分101中流动，冷却在分离器-冷却器管95中的混合气流，和在高温下将所得到的气流作为加热的气流116排出该装置。在加热的气流116加入该装置之前可以加入到进料气流91中或者，虽然未表示，但是也可以在其之后加入进料气流91中。吹扫气流108，此时与渗透的氧气混合并通过冷却的进料气流92的流动而冷却，作为产物气流118从产物出口119排出该装置。

人们容易看到：因为所有的管端是自由浮动的而且冷却气流的流动布局没有改变，所以保留了图1A的具体方案的所有优点。可以在足够低的温度下使吹扫气流输入，这有助于管对管板连接处的密封，通过与排出产物氧气一吹扫气体混合物呈逆流布局并且可以将吹扫的气流加热到离子迁移隔膜的工作温度。

图4是本发明的另一个具体方案的示意图，表示固体电解质离子导体反应器-分离器-冷却器的基本方案。如图1A所示，包含元素氧的进料气流被压缩并分成两部分装入反应器-分离器-冷却器装置中。该装置利用了三种同心管：连接到顶部管板150上并在分离器部分131的底部开口的隔层管149，在顶部封闭并连接到中间管板144的离子迁移反应器-分离器-冷却器管145，和在顶部开口且连接到顶部管板155上的内部进料管154。绝缘体165使该装置的含有结构压力的的壁166隔热，从而允许使用标准的结构材料。管板144和155将处于小于300℃的温度下，且可以使用标准的连接技术来实现所有管对管板的连接。管板150将处于较高的温度下，但是密封不如其它的连接重要，因为密封的两侧只有很小的压力差。离子迁移反应器-分离器-冷却器管145横过该装置的反应器部分130、分离器部分131和冷却器132。部分130、131和132通过在不同的运行条件下进行不同的作用有效地运行分离阶段。与图2的具体方案所述的反应器-分离器-冷却器管145的类似的改进可以用于图4的具体方案。用带有开口157的挡板158将冷却部分132与分离器部分131分开。

在运行的过程中，进料气流135被引入反应器部分130中，而冷进料气流142被送入冷却器部分132中。反应气流160，带有或不带有稀释剂，通过内部的进料管154送入。进料气流135流过由挡板168控制的隔层管149的外表面，并通过与有隔层管149热交换而加热，以及流过在反应器-分离器-冷却器管145的外表面和隔层管149的内表面之间形成的同心环形通道164。

任选地，反应器-分离器-冷却器管145的第一部分可以用不起反应的吹扫气流进行，有效地形成三阶段分离器，其中不起反应的吹扫部分先于第二个不起反应的吹扫部分而进行相应的吹扫部分。在该装置的中心反应器-分离器-冷却器管145中说明了这种选择，并且通过在离子迁移管145的顶端加入限制流动的具有预定尺寸的小孔182来完成，因此较早地引入产物吹扫气流和终止内部进料管154a。如果使用这种布局，那么在内部管的顶端还应该有挡板184，从而对反应气流160排出内部进料管154a而使其转向。这种选择的动机是避免封闭的离子迁移管端暴露于高度还原的环境中，该环境是与活性吹扫阳极和在阴极处的高纯氮气产物一起存在，并且对材料的稳定性不利。另一方面，可以将少量的进料气流加入到反应气流160中，以便大大提高在产物氮气气流端的吹扫气流中的氧气分压，同时还保持其足够低以维持氧气迁移的足够驱动力。典型地，在吹扫的气体中氧气的分压可以从10-20大气压升高到10-14大气压。

没有这种改进，反应气流160沿着反应器-分离器-冷却器管145流过在反应器-分离器-冷却器管145的内表面与内部进料管154的外部面之间形成的环形通道162，并与进料气流135中通过反应器-分离器-冷却器管145渗透的氧气反应，从而在管145内部产生热反应产物气流170。适当比例的气流流动保证在反应气流160中的燃料沿着环形通道162在某点上就被耗尽。反应气流160与渗透的氧气反应产生的热通过对流和辐射的方法从反应器-分离器-冷却器管145传递到隔层管149。同时，冷却的进料气流142，由挡板168控制，在该装置的冷却部分132中流动，在反应器-分离器-冷却器管145的内部中将该气流冷却，以所获得处于高温下的气流流过挡板158上的流动开口157，并与进料气流135汇合向上流过环形通道164。因此，热反应产物气流170流到该装置的分离部分131，并冲洗反应器-分离器-冷却器管145来增强穿过隔膜的化学驱动势能，以便氧气渗透过管145产生富氧产物气流180，其已经被由挡板133控制的冷进料气流142的流动而冷却，并且包含氧气和在该装置的反应器部分130里产生的反应产物。富氧产物气流180通过产物出口181排出该装置。如果反应气流160由甲烷或另一种烃组成，那么反应产物气流180将主要包含氧气、二氧化碳和水。

如在前面讨论的具体方案中那样，原料气流中次要部分的冷进料气流142在冷却器部分132的底部送入，通过流动开口157，并由逆流的渗透产物流动而重复加热，由此进行冷却作用。反应器作用，如图4和前面说明的那样，当过料气流135通过反应器-分离器-冷却器管145壁内发生的反应向下交叉逆流流动时加热进料气流135，它是原料气流的主要部分，如图1A和3所示的那样，所有的管端是自由浮动的以避免热和复合尺寸变化产生的应力，并且将底部的管板冷却，从而易于使管对管板的连接和密封。此密封的质量有时与氮气气流的纯度要求有关。如所有的具体方案那样，该装置的外壳侧装有挡板168以增强热交换。在反应器部分130中，挡板168有可调节的间隔：在外壳侧气流和隔层管149之间的温度差高的地方较宽，而温度差较小的地方较小。挡板168的这种可调节的间隔的目的是保持在反应器部分130中恒定的热流和使离子迁移元件的温度变化最小。如上所述，隔层管149可以获得与离子迁移反应器管表面有关的有利的辐射热。虽然未表示出，但是该设计也可以要求将T非常大的进料口附近的隔层管隔热。

与所有提供的具体方案一样，图4中所示的本发明的具体方案可以适用于许多作用。例如，该装置可以用作一种两阶段脱氧装置，第一阶段反应用反应产物吹扫气进行反应吹扫，而第二阶段用燃烧产物吹扫气进行压力吹扫，或者用作一种分离器从进料空气中提取氧气和从集成的气体涡轮循环中由燃烧产物中产生二氧化碳，或者用作一种装置将空气分离成氮气产物气流和氧气产物气流，该气流包含一些从该装置下游分离出来的二氧化碳和水。

图5是表示固体电解质离子导体反应器-冷却器的基本方案的本发明的另一种具体方案的示意图。如图1A所示，包含元素氧的进料气流被压缩并分成至少两部分送入反应器-冷却器装置中。在运行的过程中，进料气流205被引入活性反应器部分201中，并将冷进料气流207送入反应产物冷却器部分202中。优选地，将二次冷进料气流208送入氮气产物冷却器部分200中。离子迁移反应器-冷却器管210横过反应器-冷却器的所有部分200、201和202。离子迁移反应器-冷却器管210在该装置的上端通过轴封或带有风箱的固定密封的方法连接到管板211上，和在该装置的底部连接和密封到管板212上。如前所示，因为管板212将处于小于300℃的温度下，所以可以使用标准的连接技术来实现反应器-冷却器管210对管板212的连接。类似地，绝热体(未显示出)使该装置的含有结构压力的的壁206隔热。如前面图所示，在该装置的反应器部分201和冷却器部分200和202中可以使用相同的管210，并且可以按照上面讨论的那样构造。反应器-冷却器管210的中心部分210a只需要有活性离子迁移隔膜。如前所示，可以使用由在反应器部分201中的多孔的承载管和混合导体膜和在冷却器部分200和202中的密封膜组成的复合管。

进料气流205流过由挡板214控制的隔层管215的外表面，并通过与隔层管215进行热交换而加热，以及流入在反应器-冷却器管210的外表面与隔层管管215的内表面之间形成的同心的环形通道216中，隔层管215稍微伸出反应器部分210，进入该装置的反应产物冷却器部分202中。反应气流218例如甲烷沿着反应器-冷却器管210流动，和一旦离子迁移管表面已经达到离子迁移管的工作温度，它就与从进料气流205通过反应器-冷却器管210渗透的氧气反应在管210内部产生反应产物气流221。如果反应气流218由甲烷或另一种烃组成，如果有过量的燃料或氧气，如果该过程是在缺燃料的情况下进行，那么反应产物气流221主要是二氧化碳和水，燃烧的正常产物，和未反应的燃料。反应气流218与渗透的氧气反应产生的热通过对流和辐射的方法从反应器-冷却器管210传递到隔层管215。同时，由挡板214控制的冷进料气流207在该装置的反应产物冷却器部分202中流动，在反应器-冷却器管210的内部冷却该气流，所获得的处于高温下的气流与进料气流205一起流入同心环形通道216中。因此，反应产物气流通过冷进料气流207的流动而冷却，并从产物出口222排出该装置。在高压下的缺氧(氮气)产物气流220也可以被回收。如果是这种情况，最好使用任意的第二种冷进料气流208用与反应产物冷却器部分202相同的方法冷却在氮气产物冷却器部分200中的气流。

图6是表示固体电解质离子导体反应器-冷却器的基本方案的本发明的另一种具体方案的示意图。如图1A所示，包含元素氧的进料气流被压缩并分成至少两部分送入反应器-冷却器装置中。在运行的过程中，进料气流233被引入活性的反应器部分231中，并将冷却的进料气流234送入反应产物冷却器部分232中。优选地，将第二种冷进料气流235送入氮气产物冷却器部分230中。离子迁移反应器-冷却器管236延伸通过该反应器-冷却器的反应器部分231和冷却器部分232。该装置采用三种同心管：连接到顶部管板241上并在分离器部分231的底部开口的隔层管240，在顶部封闭并连接到中间管板237的离子迁移反应器-冷却器管236，和在顶部开口且连接到下部管板239上的内部进料管238。如前所示，因为管板237、239和241将处于小于300℃的温度下，所以可以使用标准的连接技术来实现所需要的连接。类似地，绝热体(未显示出)使该装置中的含结构压力的的壁242隔热，从而允许使用标准的结构材料。如前面图所示，在该装置的反应器部分231和反应产物冷却器部分232中可以使用相同的管236，并且可以按照上面讨论的那样构造。反应器-冷却器管236的顶部236a只需要有活性离子迁移隔膜。

进料气流233流过由挡板243控制的隔层管240的外表面，并通过与隔层管240进行热交换器而加热，以及流入在反应器-冷却器管236的外表面与隔层管240的内表面之间形成的同心的环形通道244中。隔层管240稍微伸出反应器部分231，进入该装置的反应产物冷却器部分232中。任选地用水蒸气稀释的反应气流245例如甲烷，沿内部进料管238向上流动，沿着在反应器-冷却器管236的内表面与隔层管240的外表面之间形成的同心的环形通道246向下流动，与从进料气流233通过反应器-冷却器管236渗透的氧气反应，在管236的内部产生反应产物气流247。如果反应气流245由甲烷或另一种烃组成，如果有过量的燃料或氧气，如果该过程是在缺燃料的情况下进行，那么反应产物气流221主要是二氧化碳和水，燃烧的正常产物，和未反应的燃料。反应气流245与渗透的氧气反应产生的热通过对流和辐射的方法从反应器-冷却器管236传递到隔层管240。同时，由挡板243控制的冷进料气流234在该装置的反应产物冷却器部分232中流动，在反应器-冷却器管236的内部冷却该气流，所获得的处于高温下的气流与进料气流233一起流入同心环形通道244中。因此，反应产物气流通过冷却的进料气流234的流动而冷却，并从产物出口248排出该装置。在高压下的缺氧(氮气)产物气流249也可以被回收。如果是这种情况，最好使用任选第二中冷进料气流235用与反应产物冷却器部分232相同的方法冷却在氮气产物冷却器部分230中的气流。

图8说明了使用本发明的反应器-分离器-冷却器模块300的完整的氧气／氮气分离循环的简单性。用压缩机260压缩进料气流260(通常为空气)，获得压缩的气流264。将压缩的气流264分成主的进料气流268和次进料气流266。在冷却器270中冷却次进料气流266，然后继续通过阀门272。冷却的气流274被引入粒子迁移模块300的冷却器部分271中。主进料气流268通过阀门301变成主气流299，该气流被引入到粒子迁移反应器300的反应器部分273中。在一个具体方案中，气流286是反应气流，且通过气流286与在离子迁移模块300的反应器部分273中粒子迁移隔膜阳极侧的氧气反应，在粒子迁移模块300的反应器部分273中将主气流299加热到大约900℃。在另一个具体方案，气流286是不反应的稀释剂气流，该气流被用来冲洗离子迁移模块300中反应器部分273和分离器部分275的粒子迁移隔膜的阳极侧。由逆流的阳极产物流提供加热进料气流274的能量。

图8说明的系统实际上利用了由反应驱动的脱氧阶段273和由压力驱动的氧气分离阶段275，后者由包括物质如水(如水蒸气)和二氧化碳的吹扫燃烧产物来增强的。离开离子迁移模块300的两种气流是包含氧气、二氧化碳和水的冷却的低压气流284，和高压和高温的氮气产物流276。

用冷却器302将包含氧气、二氧化碳和水蒸气的低压气流284冷却，产生气流303。用冷凝器304将包含在气流303中的大部分水冷凝产生水流305和主要包含氧气和二氧化碳的气流306。将气流306送到下游由隔膜、吸附或吸附工艺构成的的分离的过程。水流305可以作为水蒸气312排出，或可以变成水流307，用水泵308将该水流抽出变为水流309。水流309通过热交换器307，用气流282加热变成水蒸气，即气流310。气流310任选地被分成气流311和气流313。如上所述，将或者反应的或不反应的气流286送到离子迁移模块300的反应器部分275中。

氮气产物流276任选地被分成气流277(虚线所示)和气流323。如果产生的气流277与任选地气流311连接(虚线所示)，从气流310变为气流279。气流279和反应气流320被送入燃烧器321中燃烧产生气流322。气流322与气流323结合产生气流324。在一个具体方案中的气流324在气体涡轮280中膨胀或可以用Rankine循环蒸汽系统回收热能。该Rankine循环蒸汽系统具有更多的复杂性，但其优点是在压力下传递产物氮气。在所示的使用气体涡轮280的具体方案中，通过在热交换器307中加热水蒸气305，在涡轮废气气流282中有足够的热来产生水蒸气气流310，从而进一步增加离子迁移模块300中的氧气流量，如上所述。气流282通过热交换器307变成气流283。气流283通过冷却器330变成气流329，其通常被排出。

图9说明了离子迁移反应器-冷却器被集成到本发明的气体涡轮循环中。进料气流350例如空气，在压缩机352中压缩后分成主的进料气流356和次进料气流355。主进料气流355通过358产生气流360，将该气流360引入分离器-冷却器模块400的冷却器部分361中，并加热和作为气流368排出分离器-冷却器模块400。

主进料气流356任选地分成气流364和气流404。加入燃料气流364产生气流366之后，在燃烧器362中将气流364加热到粒子迁移隔膜的工作温度(大约900℃)。粒子迁移反应器或外部燃烧加热器可以取代燃烧器362而不影响系统的功能。气流404通过任选的热交换器407产生热气流403，该气流与气流366连接产生气流367。将优选的反应气流405加到气流367中产生气流370。将气流368加到气流370中产生气流372，其被引入到分离器-冷却器模块400的分离器部分363中，其中使用离子迁移管367除去氧气365。

在通过分离器-冷却器模块400的分离器部分263中离子迁移隔膜367除去包含在气流372中的部分氧气365之后，气流380排出分离器-冷却器模块400，并在加入燃料气流384以后，在燃烧器383中加热到涡轮入口温度。在涡轮388中，所得到的气流386膨胀形成涡轮废气气流420。气流420任选地被分成气流402和气流421。产生的气流402，通过热交换器407产生气流406。将气流406加到气流421中，产生气流426。

在所示的情况中，如下文所述用Rankine水蒸气循环410回收废弃的热。在大约150-300℃的温度下氧气产物气流401排出分离器-冷却器模块400的冷却器部分361。如果温度允许，用Rankine水蒸气循环410回收包含在产物氧气气流401和涡轮废气气流426中的一些热量。可以使用同流换热器代替Rankine水蒸气循环410回收包含在涡轮废气气流426和氧气产物气流401中的过量的热。然后用冷却器414将氧气气流411冷却，产生氧气气流415，该气流被压缩机416压缩产生氧气气流417，其作为产物回收。

如上所述，可能选择不同的固体电解质离子导体材料用于反应器和分离器中，以提供最佳的寿命。反应器选择的材料在低压下应该具有最大的稳定性，例如表Ⅰ列出的含铬的钙钛矿，而氧气分离的选择的材料应该是那些在高氧气分压下具有高离子传导率的材料。

本发明的详细特点在一个或多个附图中方便地表示出，按照本发明，每个特点可以与另一个特点结合。另外，在不脱离本发明的精神的情况下，结合给出的实施例可以作出各种变化和改进。对本领域熟悉的人员将认识到可替代的具体方案，它们将包括在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1．一种生产氧气气流或富氧气流和缺氧气流的方法，其首先从包含元素氧的进料气流中分离出氧气，然后在同一个装置内冷却由此获得的氧气气流或富氧气流。该装置有一个分离器部分和冷却部分以及氧气产物出口，其中分离器部分包括具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜。所说的方法包括步骤：

(a)将进料气流压缩；

(b)将压缩的进料气流分成主气流部分和次气流部分；

(c)加热主气流部分；

(d)将加热的主气流部分引入该装置的分离器部分；

(e)将次气流部分引入氧气产物出口附近的该装置的冷却部分；

(f)通过分离器部分的离子迁移隔膜从加热的主气流部分中除去氧气，在隔膜的渗透侧得到热的富氧气流而在隔膜的滞留侧获得缺氧气流；和

(g)将热量从富氧气流中传递到次气流部分，产生氧气气流或富氧产物气流和加热的次气流部分，

其中将次气流部分或排出该装置，或在加热的主部分气流部分引入该装置的分离器部分之前与加热的主气流部分结合，其中将缺氧气流排出该装置。

2．权利要求1的方法，其中还包括反应器部分，它包括具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜，其中反应气流被引入该装置的反应器部分的离子迁移隔膜的滞留侧，与在离子迁移隔膜的滞留侧附近通过离子迁移隔膜渗透的第二氧气气流反应，产生用于吹扫该装置中分离器部分的离子迁移隔膜的渗透侧的气流，和

其中反应产物气流和第一氧气气流与来自第二氧气气流的未反应的氧气结合作为富氧气流排出该装置，其中缺氧气流单独排出该装置。

3．按照权利要求2的方法，其中该装置的分离器部分的离子迁移隔膜和该装置的反应器部分的离子迁移隔膜整体形成。

4．按照权利要求3的方法，其中该装置的分离器部分的离子迁移隔膜包括多孔的载体，且由在高氧气分压下具有高氧气传导率的离子迁移材料组成，而该装置的反应器部分的离子迁移隔膜由在低氧气分压下具有最佳稳定性的混合导体材料组成。

5．按照权利要求3的方法，其中该装置的反应器部分的离子迁移隔膜和该装置的分离器部分的离子迁移隔膜与将富氧气流运载通过该装置的冷却器部分的导管整体形成。

6．按照权利要求5的方法，其中将富氧气流运载通过该装置的冷却器部分的导管是金属管，且通过焊接或钎焊接头的方法连接到该装置的反应器部分的离子迁移隔膜上。

7．按照权利要求5的方法，其中将富氧气流运载通过该装置的冷却器部分的导管由致密的密封材料组成，其通过焊接或钎焊接头的方法连接到该装置的反应器部分的离子迁移隔膜上。

8．按照权利要求2的方法，其中在反应气体引入该装置的反应器部分之前加热。

9．按照权利要求1的方法，其中反应器部分包括反应器部分，且步骤(f)包括将反应气流引入到离子迁移隔膜的渗透侧与至少部分迁移的氧气反应。

10．一种生产富氧气流和缺氧气流的方法，其在同一个装置内从包含元素氧的进料气流中分离出氧气，该装置有一个反应器部分和一个分离器部分，其中各个反应器部分和分离器部分包括至少一种具有滞留侧和渗透侧的离子迁移隔膜，所说的方法包括步骤：

(a)将进料气流压缩；

(b)将压缩的进料气流引入该装置和从反应产物气流中将热量传递到进料气流中；

(c)通过从该装置的反应器部分的离子迁移隔膜迁移通过，从加热的进料气流中除去氧气，在隔膜的渗透侧生成反应产物气流，而在隔膜的滞留侧生成部分缺氧气流；和

(d)在该装置的分离器部分中通过离子迁移隔膜的迁移从部分缺氧气流中除去其余的氧气，在隔膜的滞留侧生产缺氧气流；

其中将反应气流引入该装置反应器部分中离子迁移隔膜的渗透侧，与位于隔膜渗透侧附近的迁移通过离子迁移隔膜的氧气反应，生成用于吹扫该装置分离器部分中离子迁移隔膜的渗透侧的反应产物气流；和

其中反应产物气流与未反应的迁移氧结合为富氧气流排出该装置，其中缺氧气流单独排出该装置。

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