ES2834628T3 - Procedimiento de separación de membranas y sistema de membranas para la generación energéticamente eficiente de oxígeno - Google Patents

Procedimiento de separación de membranas y sistema de membranas para la generación energéticamente eficiente de oxígeno Download PDF

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Abstract

Procedimiento de separacion de membranas para la extraccion energeticamente eficiente de oxigeno a partir de aire fresco calentado usando membranas conductoras mixtas funcionando al vacio, evacuandose el aire fresco como aire de escape despues de la separacion del oxigeno, caracterizado por que - al menos el 85 % de la energia termica necesaria para el calentamiento del aire fresco se realiza utilizando el calor de escape del aire de escape y/o del oxigeno extraido, - el calentamiento restante del aire fresco se hace efectivo mediante suministro de energia externo y - para la realizacion de un modo de funcionamiento energeticamente eficiente, el caudal de aire se regula de manera que la presion parcial de oxigeno en el aire de escape no supere en mas de 100 mbar la presion de vacio en el lado del permeato y la relacion entre los flujos volumetricos de la cantidad de aire fresco respecto a la cantidad de oxigeno producido se ajuste dentro de los limites 6: 1 y 25: 1.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de separación de membranas y sistema de membranas para la generación energéticamente eficiente de oxígeno
La invención se refiere a un procedimiento de separación de membranas y a un sistema de membranas para la generación energéticamente eficiente de oxígeno usando membranas cerámicas conductoras mixtas.
Actualmente la producción convencional de oxígeno se realiza preferentemente mediante adsorción por oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés - Pressure SwingAdsorption) o por separación criogénica del aire (procedimiento Linde®). Los grandes complejos industriales altamente optimizados en términos de energía logran consumos energéticos específicos de como mínimo 0,34 kWhei./Nm3 de O2 (criogénicamente - Fu, C., Gundersen, T.: Using exergy analysis to reduce power consumption in air separation units for oxy-combustion processes, Energy 44 (2012) 1,60-68) o 0,36 kWhei./Nm3 O2 (PSA - Dietrich, W., Scholz, G., Voit, J.: Linde-Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff und Ozon für eine Zellstoff- und Papierfabrik Berichte aus Technik und Wissenschaft 80 (2000), 3-8). Sin embargo, este consumo de energía específico de los sistemas convencionales aumenta bruscamente con la pureza deseada del gas de producto oxígeno, del mismo modo con la disminución del tamaño del sistema. Así, los sistemas PSA más pequeños con una cantidad de producción de hasta aproximadamente 1000 Nm3 de 02/h requieren al menos 1,0 kWhei./ Nrm3 de O2, pero, a este respecto, entregan solo el 95 % en volumen de oxígeno. Debido al alto consumo de energía específico, la generación de oxígeno descentralizada no tiene sentido económico para muchas aplicaciones en la tecnología de combustión y de gasificación. Un suministro a través de botellas o tanques de líquido es incluso menos económico, en particular en el caso de una necesidad continua de oxígeno.
Un método alternativo para la producción de oxígeno se basa en un proceso de separación de membranas a altas temperaturas. Para ello, se utilizan membranas cerámicas conductoras mixtas (MIEC, siglas en inglés para Mixed [onic Electronic Conductor, conductor electrónico iónico mixto), que posibilitan una separación altamente selectiva del oxígeno. El transporte de oxígeno se basa en el transporte de iones de óxido a través del material cerámico estanco al gas y el transporte que tiene lugar en paralelo de portadores de carga electrónicos (electrones o electrones en defecto). Desde la década de 1980, se ha investigado una pluralidad de materiales cerámicos en cuanto al transporte de oxígeno y propiedades de material adicionales (Sunarso, J., Baumann, S., Serra, J. M., Meulenberg, W. A., Liu, S., Lin, Y. S., Diniz da Costa, J. C.: Mixed ionic-electronic conducting (MIEC) ceramic-based membranes for oxygen separation; Journal of Membrane Science 320 (2008), 13-41).
La permeación de oxígeno a través de una membrana MIEC se puede describir mediante la ecuación de Wagner y está determinada sobre todo por la conductividad ambipolar del material a la temperatura de funcionamiento, por el espesor de la membrana y por la fuerza propulsiva. Esto último se deduce de la relación logarítmica de la presión parcial de O2 en el gas de alimentación po(h) respecto a la presión parcial de oxígeno en el gas de barrido po(I) o en el permeato. Por consiguiente, el flujo de oxígeno a través de una membrana MIEC es proporcional respecto a In{po(h)/po(I)} en el caso de un material dado, espesor de membrana constante y temperatura predeterminada. Correspondientemente, una duplicación de po(h) en el lado del gas de alimentación tiene como consecuencia el mismo aumento en el flujo de oxígeno que una reducción a la mitad de po(I) en el lado del permeato o del gas de barrido. Para la generación de oxígeno puro en sistemas técnicos de membranas, el aire se puede comprimir correspondientemente o se puede aspirar el oxígeno con vacío; por supuesto, también son posibles procesos combinados (Armstrong, P. A., Bennett, D. L., Foster, E. P., Stein, V. E.: ITM Oxygen: The New Oxygen Supply for the New IGCC Market; Gasification Technologies 2005, San Francisco, 9-12/10/2005). Para sistemas a escala industrial, se prefiere en general la compresión del aire, puesto que los compresores en general son más baratos y están más fácilmente disponibles que los generadores de vacío.
La comprobación de la viabilidad tecnológica de la generación de oxígeno con membranas MIEC ya se ha proporcionado a pequeña escala mediante la construcción y funcionamiento de un generador de oxígeno portátil calentado eléctricamente con una bomba de vacío que funciona eléctricamente (Kriegel, R.: Einsatz keramischer BSCF-Membranen in einem transportablen Sauerstoff-Erzeuger, J. Kriegesmann (Ed.), DKG Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, publicación en hojas sueltas, editorial HvB, Ellerau, 119. entrega complementaria, noviembre de 2010, Capítulo 8.10.1.1, pág. 1-46). No obstante, el consumo energético específico del aparato descrito con 1,6 kWh/Nm3 de O2 se encontró considerablemente por encima de los procesos convencionales, habiéndose dejado de lado, aparte de eso, la necesidad de energía térmica.
La necesidad de energía propia de la separación de membranas MIEC resulta, por una parte, de la energía térmica que se requiere para mantener la alta temperatura de 800 - 900 °C en la membrana. Por otra parte, para la generación la fuerza propulsiva para el transporte de oxígeno, se requiere energía de compresión para la compresión del gas. Si el aire se comprime en el lado de alimentación, entonces es necesaria una distensión del aire empobrecido en O2 comprimido para la recuperación de la energía de compresión aplicada a través de una turbina de gas. Como alternativa a este procedimiento de sobrepresión, el oxígeno se puede extraer por aspiración con vacío. Para el procedimiento de vacío se requiere menos energía de compresión, pero no se puede recuperar. Los procesos correspondientes ya se han descrito múltiples veces en el ámbito de la tecnología de centrales eléctricas (documentos WO 2008/014481 A1, EP 2067937 A2, WO 2009/065374 A3, EP 2026004 A1), reivindicando solo el documento WO 2009/065374 A3 un proceso de vacío.
La necesidad de energía propia de los sistemas de membranas MIEC se ve significativamente influenciado en el área de las centrales eléctricas por la integración en la central eléctrica. Así, según el grado de integración del sistema de membranas MIEC, la necesidad de energía propia calculada para el proceso de sobrepresión fluctúa entre 0,031 y 0,134 kWhei./Nm3 de O2 (Stadler, H., Beggel, F., Habermehl, M., Persigehl, B., Kneer, R., Modigell, M., Jeschke, P.: Oxyfuel coal combustión by efficient integration of oxygen transport membranes; International Journal of Greenhouse Gas Control5 (2011), 7-15). El proceso de vacío se indica con un requisito de energía de como mínimo 0,14 kWhei./Nm3 de O2 (Nazarko, J., Weber, M., Riensche, E., Stolten, D.: Oxygen Supply for Oxyfuel Power Plants by Oxy-Vac-Jül Process, 2nd International Conference on Energy Process Engineering, Efficient Carbon Capture for Coal Power Plants, 20-22/06/ 2011, Fráncfort del Meno). Por el contrario, otros autores no encuentran ninguna diferencia notable entre el proceso de membrana y la separación criogénica del aire (Pfaff, I., Kather, A.: Comparative Thermodynamic Analysis and Integration Issues of CCS Steam Power Plants Based on Oxy-Combustion with Cryogenic or Membrane Based A ir Separation; Energy Procedia 1 (2009) 1, 495-502). Estos resultados muy diferentes o contradictorios obtenidos para condiciones límite muy diferentes, evidentemente, no son adecuados para la evaluación energética de un sistema de membranas independiente sin acoplamiento a una central eléctrica.
En el trabajo mencionado, los cálculos de modelado se llevan a cabo con complejas herramientas de software con el fin de identificar y discutir las dependencias de la necesidad de energía propia del procedimiento de membrana con el caudal de aire, con el grado de separación del oxígeno del aire suministrado (gas de alimentación) y con la integración relacionada con el procedimiento en la central eléctrica. Sin embargo, no se especifica ni se deriva una relación simple y comprensible entre las variables activas y el consumo específico de energía de un sistema de membranas MIEC, puesto que el modelado siempre se lleva a cabo en conexión con la conexión a la central eléctrica. Por consiguiente, hasta el momento no ha sido posible predecir el punto de funcionamiento óptimo para un sistema de membrana MIEC que se va a planificar y diseñar por consiguiente todos los componentes con un esfuerzo justificable.
Según el estado de la técnica, la permeación de oxígeno de superficie normalizada del material de membrana se considera decisiva para el funcionamiento económico de un sistema de membranas MIEC. Por consiguiente, para el funcionamiento económico se postula una permeación de oxígeno mínima de 10 Nml/(cm2 ■ min) (Vente, Jaap F., Haije, Wim. G., Ijpelaan, Ruud, Rusting, Frans T.: On the full-scale module design of an airseparation unit using mixed ionic electronic conducting membranes; Journal of Membrane Science 278 (2006), 66-71). Por consiguiente, el trabajo actual sobre el desarrollo de membranas MIEC está orientado casi en su totalidad hacia la mayor permeabilidad de oxígeno posible (Baumann, S., Serra, J.M., Lobera, M.P., Escolástico, S., Schulze-Küppers, F., Meulenberg, W.A.: Ultrahigh oxygen permeation flux through supported Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3s membranes; Journal of Membrane Science 377 (2011) 198-205). A este respecto, se usan altos rendimientos de alimentación y oxígeno puro como alimentación; no se considera la influencia del empobrecimiento de O2 en la alimentación a la permeación de O2 ni en la demanda energética. Hasta ahora no se ha realizado una evaluación completa del consumo de energía de los sistemas de membranas MIEC independientes y autárquicos.
La invención se basa en el objetivo de especificar una posibilidad de manera que, evitando las desventajas del estado de la técnica, se incremente significativamente la eficiencia energética del procedimiento de membrana MIEC para la producción de oxígeno, en particular con sistemas de membrana MIEC autárquicos.
De acuerdo con la invención, el objetivo se consigue con un sistema de membranas para la extracción energéticamente eficiente de oxígeno a partir de aire fresco, que contiene una carcasa con una entrada y una salida, membranas MIEC y una bomba de vacío por que en la carcasa está dispuesta una placa de conexión metálica, que contiene una estructura de cavidad estanca al vacío en la que están dispuestas las membranas MIEC, cerradas por un lado, insertadas de manera estanca al gas. La carcasa está dividida en cámaras por al menos una pared de separación, presentando cada cámara un regenerador estacionario, una calefacción adicional y una parte de las membranas MIEC, y estando presente en cada pared de separación una abertura, de manera que está garantizado un paso para el aire fresco desde la cámara aguas abajo de la entrada hasta la cámara aguas arriba de la salida. Además, un ventilador está dispuesto aguas arriba de la entrada y un ventilador está dispuesto aguas abajo de la salida, presentando los ventiladores direcciones de aspiración opuestas. Aparte de eso, está presente un intercambiador de calor regenerativo, estando asignadas áreas parciales a la entrada y otras áreas parciales a la salida, y estando en conexión la bomba de vacío con la estructura de cavidad para aspirar el oxígeno extraído.
Una ventaja esencial de la disposición de acuerdo con la invención consiste en que la carcasa del sistema de membranas no tiene que estar realizada de manera estanca a la presión. Los ventiladores con sus direcciones de aspiración opuestas pueden cambiar ventajosamente sus direcciones de marcha o están previstas válvulas de aire correspondientes, de manera que la dirección de flujo de la corriente de aire es reversible. Un diseño ventajoso adicional consiste en que la entrada y la salida con sus ventiladores asociados están dispuestas sobre un distribuidor giratorio. Por medio del giro permanente, se logra el mismo efecto que por medio de la inversión de la dirección de flujo en el caso de una entrada y salida fijas. Asimismo, resulta ventajoso si la carcasa está subdividida en varias cámaras construidas de manera idéntica, extendiéndose la entrada y la salida en cada caso sobre un tercio de las cámaras y encontrándose, con ello, un tercio de las cámaras en una fase de reposo.
De acuerdo con la invención, el objetivo también se resuelve con un procedimiento de separación de membranas para la extracción energéticamente eficiente de oxígeno a partir de aire fresco calentado usando membranas conductoras mixtas en funcionamiento al vacío, evacuándose el aire fresco como aire de escape después de la separación del oxígeno, caracterizado por que al menos el 85 % de la energía térmica necesaria para el calentamiento del aire fresco se realiza utilizando el calor de escape del aire de escape y/o del oxígeno extraído, por que el calentamiento restante del aire fresco se hace efectivo mediante suministro de energía externo y por que la relación entre el aire fresco y el oxígeno generado en el funcionamiento normal se ajusta dentro de los límites 6: 1 y 25: 1. A este respecto, el calentamiento restante se puede realizar mediante calentamiento eléctrico o procesos de combustión. La energía térmica necesaria para el calentamiento del aire fresco se obtiene ventajosamente mediante el uso de intercambiadores de calor regenerativos. El procedimiento de separación de membranas de acuerdo con la invención es especialmente eficaz si el oxígeno en el lado del permeato se aspira por vacío, pero el gas de alimentación se utiliza a presión ambiente. La generación de vacío se realiza mediante bombas de vacío electromecánicas, bombas de vacío mecánicas o bombas de chorro de vapor. El caudal de aire se regula de manera que la presión parcial de oxígeno en el aire de escape no sea superior a 100 mbar, pero preferentemente inferior a 20 mbar, por encima de la presión de vacío en el lado del permeato.
De acuerdo con la invención, las condiciones óptimas de funcionamiento de un sistema de membranas MIEC se derivan de las ecuaciones conocidas para el transporte de oxígeno, el grado de recuperación de calor de los intercambiadores de calor regenerativos que se van a utilizar y la necesidad real de energía de compresión. El nivel de permeación de oxígeno así como el material de membrana MIEC usado se pueden dejar de lado, puesto que, a diferencia del estado de la técnica conocido, solo presentan un efecto insignificante sobre la necesidad de energía propia y las ecuaciones derivadas son independientes de la permeación de oxígeno por medio de la normalización de la cantidad de oxígeno generado. En contraste con el estado de la técnica descrito, de esto resulta que la permeación de oxígeno únicamente tiene un efecto sobre el tamaño del sistema y, con ello, principalmente sobre los costes de inversión. En cuanto al consumo de energía, del tamaño modificado del sistema solo resulta así el efecto secundario de mayores pérdidas de calor, que normalmente se encuentran por debajo del 5 % de la demanda energética total de los sistemas más grandes. Por este motivo, de acuerdo con la invención, el nivel absoluto de permeación de oxígeno se puede dejar de lado para la evaluación energética.
En el caso de las membranas MIEC, una permeación de oxígeno desde el lado de alimentación hacia el lado del permeato o de vacío tiene lugar siempre que la presión parcial de oxígeno en el lado del gas de alimentación sea mayor que en el lado del gas de barrido o del permeato. Si la permeación de oxígeno a través de la membrana es alta en comparación con el caudal de gas de alimentación, entonces se extrae de este una cantidad relativamente grande de oxígeno. Por ello, se reduce la presión parcial de oxígeno en el lado de alimentación a lo largo de la membrana, del mismo modo que la permeabilidad local de oxígeno. Este empobrecimiento del oxígeno se puede describir mediante el denominado grado de separación del oxígeno (en inglés, O2 recovery) foRec.
Una utilización en su mayor parte de las superficies de membrana instaladas se da cuando, después del contacto con la membrana, la presión parcial de oxígeno en el gas de alimentación poFpout casi se corresponde a la presión parcial de oxígeno en el gas de barrido o permeato posout, así, se aplica poFout == posout. Este valor límite deseado para ambas presiones corresponde al logro de una presión parcial de oxígeno de equilibrio poEq y se puede calcular a partir del grado de separación de oxígeno foRec como sigue.
Figure imgf000004_0001
_
Al mismo tiempo, el grado de separación de oxígeno está directamente relacionado con el caudal de gas de alimentación relacionado con la superficie en la entrada de gas de alimentación jFin, la presión parcial de oxígeno en la entrada del gas de alimentación poFin y la permeación de oxígeno jo2.
JORec JO2 (2)
j F in P O F in
Por ello, se puede usar el grado de separación de oxígeno foRec directamente para el cálculo del caudal de aire jFin requerido relacionado con la superficie. También tiene un efecto sobre la permeación de oxígeno correspondientemente a la influencia de la presión parcial de oxígeno efectiva en el gas de alimentación.
La invención se explicará con más detalle a continuación mediante ejemplos de realización. En los dibujos adjuntos muestra
la figura 1 el rendimiento de oxígeno en funcionamiento al vacío y de sobrepresión (BSCF, 850 °C) para diferentes grados de separación de oxígeno (O2 recovery),
la figura 2 la presión parcial de oxígeno de equilibrio y la demanda energética para calentamiento del aire (con un 85 % de recuperación de calor), compresión de oxígeno, enfriamiento de oxígeno,
la figura 3 la presión de oxígeno de equilibrio o la presión de vacío y la demanda energética total Wges. para compresión de oxígeno, enfriamiento de oxígeno y calentamiento del aire con diferentes grados de recuperación de calor (WRG, por sus siglas en alemán),
la figura 4 una representación esquemática de un módulo de membrana MIEC para la producción de oxígeno en funcionamiento al vacío con intercambiadores de calor regenerativos estacionarios, y
la figura 5 una representación esquemática de un módulo de membrana MIEC para la producción de oxígeno en funcionamiento al vacío con intercambiadores de calor regenerativos con flujo rotatorio y distribuidor giratorio.
La figura 1 muestra la permeación de oxígeno calculada correspondientemente a una ecuación de Wagner simplificada para el funcionamiento al vacío y de sobrepresión para membranas tubulares BSCF y diferentes grados de separación de oxígeno. Puede verse claramente que los grados crecientes de separación de oxígeno dan como resultado una fuerte reducción de la permeación de oxígeno. Además, es evidente que una permeación de oxígeno solamente ocurre por debajo de una determinada presión de vacío en el lado del permeato o por encima de una determinada sobrepresión en el lado de alimentación, y esta presión parcial de oxígeno de equilibrio poEq limitante se determina por el grado de separación de oxígeno.
De la figura 1 queda claro que el proceso de vacío da como resultado un aumento cada vez mayor de la permeación de oxígeno a medida que desciende la presión de vacío. Por el contrario, en el proceso de sobrepresión, el aumento adicional de la permeación de oxígeno se nivela cada vez más. Además, en el proceso de sobrepresión es necesaria una recuperación de la energía de compresión, que significaría un esfuerzo desproporcionadamente alto para sistemas más pequeños. Hasta ahora no se dispone de compresores y turbinas de distensión correspondientes con un grado de eficiencia suficientemente alto. Por este motivo, a diferencia de la mayoría de las publicaciones actuales, para la construcción de un sistema de membrana MIEC energéticamente eficiente para la generación de oxígeno se toma como referencia un proceso de vacío.
El modelado del proceso general muestra que la demanda energética total del proceso depende de manera crucial del grado de separación de oxígeno y todos los parámetros relevantes para la energía del proceso se pueden calcular directamente a partir del grado de separación de oxígeno. Por consiguiente, en la figura 2 está representado el curso de la presión parcial de oxígeno de equilibrio poEq así como la demanda energética para el calentamiento del aire, incluyendo la recuperación de calor del 85 %, para enfriar el oxígeno y para comprimir el oxígeno a la presión ambiente. Para el cálculo de la energía de compresión en el funcionamiento al vacío se basó en la energía de compresión de las bombas de vacío convencionales, que resulta de la potencia de aspiración y la potencia nominal. Las bombas de vacío comerciales más energéticamente eficientes alcanzan valores mínimos de 0,015 kWhei./Sm3 (Sm3 = aspiración m3). Para el cálculo se usó un valor de 0,018 kWhei./Sm3.
Todos los datos de energía en la figura 2 están normalizados a la cantidad de oxígeno generado. Por este motivo, se pueden usar de manera sencilla para el cálculo de la demanda energética total Wges. La figura 3 muestra la demanda energética total Wges. del proceso de vacío para diferentes grados de recuperación de calor de los intercambiadores de calor utilizados, que utilizan el calor de escape del aire de escape empobrecido en oxígeno para el calentamiento del aire fresco. Al 85 % de WRG (grado de recuperación de calor) del intercambiador de calor y 0,018 kWh/Sm3, el consumo total de energía ya está justo por debajo del de un sistema PSA descentralizado, incluso sin utilizar el calor de escape del enfriamiento de oxígeno.
Si el calor de escape del enfriamiento de oxígeno también se utiliza para el precalentamiento del aire, entonces se puede lograr un consumo específico de energía significativamente menor de 0,55 kWh/Nm3 de O2 en el intervalo de grados óptimos de separación de oxígeno. Un mayor grado de recuperación de calor del intercambiador de calor aire/aire de escape da como resultado, evidentemente, una reducción significativa en el consumo específico de energía del procedimiento. Además, con valores de WRG más altos, el intervalo de consumo específico de energía mínimo se amplía, el mínimo se acentúa con menos precisión y se desplaza a grados más bajos de separación de oxígeno. Por ello, en comparación con valores más bajos de WRG de los intercambiadores de calor, se puede separar el oxígeno de una manera energéticamente eficiente a una presión de vacío significativamente más alta. Mientras que, por ejemplo, la presión de vacío máxima admisible en el mínimo de la curva de demanda energética para el 85 % de WRG asciende aproximadamente a 90 mbar, esta aumenta a 133 mbar en el caso del 97 % de w Rg . Por ello, es posible utilizar bombas de vacío más pequeñas con mayor recuperación de calor y reducir aún más el porcentaje energético de la compresión en la demanda energética específica total.
Ya en el caso del 97 % de WRG, la demanda energética específica del procedimiento de membrana MIEC puede quedarse por debajo de un valor de 0,3 kWh/Nm3 de O2 si se mantienen los grados de separación de oxígeno del 20 % hasta aproximadamente el 70 % y las relaciones resultantes de ello de aire fresco respecto a la cantidad de oxígeno producido de 24:1 a 6,8:1. Con ello, de acuerdo con la invención, se consigue una ventaja energética considerable con respecto al estado de la técnica (sistemas de separación criogénica del aire, sistemas PSA descentralizados).
Como alternativa al control de la cantidad de aire proporcional respecto al oxígeno producido, se utiliza la presión parcial de oxígeno en la salida de alimentación poFout para la implementación de un modo de funcionamiento energéticamente eficiente. Para ello, se miden continuamente la presión parcial de oxígeno en la salida de alimentación oFout y la presión de vacío o la presión parcial de oxígeno idéntica a esta en el lado del permeato posout. El caudal de aire se adapta en términos de tecnología de regulación de manera que la presión parcial de oxígeno en la salida de alimentación poFout no se encuentre a más de 100 mbar por encima de la presión de vacío posout, pero en una variante de realización preferente no se encuentra a más de 20 mbar por encima de esta. Con ello, se implementa un caudal de aire suficientemente bajo y un grado de separación de oxígeno correspondientemente alto en un amplio alcance operacional para garantizar un funcionamiento energéticamente eficiente.
De acuerdo con la invención, un sistema de membrana MIEC altamente eficiente de manera energética se caracteriza por el calentamiento del aire fresco a través de intercambiadores de calor regenerativos, que utilizan más del 85 %, en una variante de realización preferente alrededor del 95 %, de la energía térmica contenida en el aire de escape así como el calor de escape que queda libre durante el enfriamiento del oxígeno para el calentamiento del aire. La fuerza propulsiva para el transporte de oxígeno se genera por la aplicación de un vacío, puesto que, por ello, se minimiza la energía de compresión que se va a emplear y se suprime su recuperación. De acuerdo con la invención, el sistema de membranas se acciona de manera que, en funcionamiento normal, no se sobrepasa una relación entre la cantidad de aire fresco entrante y la cantidad de oxígeno producido de 25:1 y no se alcanza una relación de 6:1. El calor residual necesario para mantener la temperatura de funcionamiento del sistema de membranas se consigue mediante calefacción eléctrica adicional o mediante la adición de pequeñas cantidades de combustible. Por ello, en el último caso, se puede lograr una reducción adicional del consumo de energía eléctrica.
Ejemplo de realización 1:
De acuerdo con la invención, el sistema de membranas, representado esquemáticamente en la figura 4, para la producción de oxígeno energéticamente eficiente consta de una carcasa 1 no estanca a la presión con una placa de conexión 2 metálica en la que se han insertado membranas tubulares BSCF 3 cerradas por un lado mediante juntas de silicona. Una pared de separación 15 con su abertura 16 separa el interior de la carcasa en dos cámaras, que están construidas con simetría de espejo con respecto a la vía de aire fresco. En la fase de ciclo A, el aire fresco se aspira a través de un ventilador aguas arriba 4 de la entrada 11 de velocidad regulada, se precalienta por un intercambiador de calor regenerativo 5 y se conduce a través de la placa de conexión 2 dividida para absorber el calor del oxígeno aspirado. A continuación, el aire fresco se conduce a través de un regenerador 6 estacionario para el calentamiento adicional y se calienta posteriormente a la temperatura de funcionamiento con la calefacción adicional 7. El flujo de aire pasa por las membranas tubulares BSCF 3 y la segunda calefacción adicional 8 y emite su calor al regenerador 9 estacionario adicional. El flujo de aire empobrecido en oxígeno ya fuertemente enfriado se conduce a continuación a través de la placa de conexión 2 metálica hacia el intercambiador de calor regenerativo 5 a aquellas áreas que están colocadas delante de la salida 12, donde se extrae más calor de este. El ventilador aguas abajo 10 de la salida 12 de velocidad regulada opera en la fase de ciclo A en funcionamiento de aspiración. La placa de conexión 2 metálica contiene una estructura de cavidad 13 estanca al vacío, que está conectada a las membranas tubulares BSCF 3. La cavidad de esta estructura de cavidad 13 se aspira por una bomba de vacío 14 externa. A continuación, el oxígeno puro está disponible a presión ambiente.
Después de un tiempo de ciclo correspondiente, la dirección de flujo del flujo de aire se invierte, ya sea mediante válvulas de aire correspondientes no representadas o invirtiendo la dirección de marcha de los ventiladores 4 y 10. En esta fase de ciclo B, todos los flujos de gas se invierten en consecuencia. De esta manera, tanto el calor contenido en el aire caliente de escape como el calor transferido a la placa de conexión 2 metálica por el oxígeno se recuperan en su mayor parte. El caudal de aire se regula por los ventiladores 4 y 10 de velocidad regulada de manera que la presión parcial de oxígeno después del contacto de la membrana se encuentre como máximo solo 100 mbar, de acuerdo con la invención preferentemente solo aproximadamente 20 mbar, por encima de la presión parcial de oxígeno en el lado del permeato. Si se cumplen estas especificaciones, se asegura por ello un pequeño exceso de aire o un grado medio de separación de oxígeno del 30 al 70 % y, con ello, un funcionamiento energéticamente eficiente.
Ejemplo de realización 2:
De acuerdo con la invención, el sistema de membranas, representado esquemáticamente en la figura 5, para la producción de oxígeno consta de una carcasa 1 no estanca a la presión con una placa de conexión 2 metálica en la que se han insertado membranas tubulares BSCF 3 cerradas por un lado mediante uniones atornilladas de cable. La carcasa 1 está construida de forma octagonal y está subdividida en ocho cámaras por ocho paredes de separación 15, estando provista cada pared de separación de una abertura 16 en el área de la placa de conexión 2, de manera que el aire fresco pueda fluir a través de todas las cámaras. El aire fresco se aspira a través del ventilador aguas arriba 4 de la entrada 11 de velocidad regulada. La entrada 11 se encuentra en un distribuidor giratorio 17 y, a este respecto, está diseñada tan grande que el aire fresco puede fluir al mismo tiempo hacia tres cámaras. La salida 12 se encuentra asimismo en el distribuidor giratorio 17 y preferentemente presenta las mismas dimensiones que la entrada 11 y se encuentra, a este respecto, enfrente de la entrada 11. A este respecto, el intercambiador de calor regenerativo 5 inmediatamente aguas abajo de la entrada 11 está dimensionado al menos de manera que, cuando el distribuidor giratorio se gira 360°, áreas de la entrada 11 o de la salida 12 están constantemente cubiertas. El aire fresco aspirado por el ventilador aguas arriba 4 a través de la entrada 11 se calienta en primer lugar por áreas del intercambiador de calor regenerativo 5. El calentamiento adicional se realiza pasando más allá de la placa de conexión 2 segmentada y los regeneradores 6 estacionarios subsiguientes de las tres cámaras, que están dispuestos aguas abajo de la entrada. Las calefacciones adicionales 7 dispuestas en el área del techo se utilizan para el calentamiento posterior del flujo de aire. Como alternativa a una calefacción eléctrica, en este caso también se puede calentar con pequeñas cantidades de gas combustible. El aire fresco calentado fluye a continuación hacia abajo entre las paredes de separación 15 y a través de las aberturas 16 hacia las cámaras opuestas. Allí arriba, más allá de las membranas tubulares BSCF 3 y las calefacciones adicionales 8, el aire fresco ya empobrecido se conduce ahora a través de los regeneradores estacionarios 9 de las respectivas cámaras. Finalmente, el aire fresco en su mayor parte enfriado se conduce a través de la placa de conexión 2 dividida y fluye a través de aquellas áreas del intercambiador de calor regenerativo 5 que están abiertas desde la salida 12. A este respecto, se extrae calor adicional del flujo de aire de escape. El ventilador aguas abajo 10 de velocidad regulada siempre trabaja en funcionamiento de aspiración. La placa de conexión 2 metálica contiene una estructura de cavidad 13 estanca al vacío en la que se acumula el oxígeno obtenido y, por lo tanto, se aspira por una bomba de vacío 14 externa. Por medio del giro constante del distribuidor giratorio 17 se realiza una inversión permanente de la dirección de suministro de aire fresco con respecto a las cámaras opuestas, es decir, la entrada 11 se encuentra en la salida 12 después del giro de 180° del distribuidor giratorio 17 y viceversa.
Por medio de la estructura mostrada, tanto el calor contenido en el aire caliente de escape como el calor transferido a la placa de conexión 2 metálica por el oxígeno se recuperan en su mayor parte. El caudal de aire se regula por el ventilador aguas arriba 4 delante del distribuidor giratorio 17 y el ventilador aguas abajo 10 con velocidad variable de manera que el caudal de aire asciende de 12 a 18 veces la tasa de producción de oxígeno.
Lista de referencias
1 Carcasa
2 Placa de conexión
3 Membranas tubulares BSCF
4 Ventilador aguas arriba
5 Intercambiador de calor
regenerativo
6 Regenerador
7 Calefacción adicional
8 Calefacción adicional
9 Regenerador
10 Ventilador aguas abajo
11 Entrada
12 Salida
13 Estructura de cavidad
14 Bomba de vacío
15 Pared de separación
16 Abertura
17 Distribuidor giratorio

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de separación de membranas para la extracción energéticamente eficiente de oxígeno a partir de aire fresco calentado usando membranas conductoras mixtas funcionando al vacío, evacuándose el aire fresco como aire de escape después de la separación del oxígeno, caracterizado por que
- al menos el 85 % de la energía térmica necesaria para el calentamiento del aire fresco se realiza utilizando el calor de escape del aire de escape y/o del oxígeno extraído,
- el calentamiento restante del aire fresco se hace efectivo mediante suministro de energía externo y
- para la realización de un modo de funcionamiento energéticamente eficiente, el caudal de aire se regula de manera que la presión parcial de oxígeno en el aire de escape no supere en más de 100 mbar la presión de vacío en el lado del permeato y la relación entre los flujos volumétricos de la cantidad de aire fresco respecto a la cantidad de oxígeno producido se ajuste dentro de los límites 6: 1 y 25: 1.
2. Procedimiento de separación de membranas según la reivindicación 1 caracterizado por que el calentamiento restante se realiza mediante calentamiento eléctrico o procesos de combustión.
3. Procedimiento de separación de membranas según la reivindicación 1 caracterizado por que la energía térmica necesaria para el calentamiento del aire fresco se obtiene usando intercambiadores de calor regenerativos.
4. Procedimiento de separación de membranas según la reivindicación 1, caracterizado por que
- el oxígeno en el lado del permeato se aspira por vacío,
- el gas de alimentación se utiliza a presión ambiente y
- la generación de vacío se realiza mediante bombas de vacío electromecánicas, bombas de vacío mecánicas o bombas de chorro de vapor.
5. Procedimiento de separación de membranas según las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que el caudal de aire se regula de manera que la presión parcial de oxígeno en el aire de escape no sea inferior a 20 mbar por encima de la presión de vacío en el lado del permeato.
6. Sistema de membranas para la extracción energéticamente eficiente de oxígeno a partir de aire fresco, que contiene una carcasa (1) con una entrada (11) y una salida (12), membranas MIEC (Mixed lonic Electronic Conductor) y una bomba de vacío (14), caracterizado por que
- en la carcasa (1) está dispuesta una placa de conexión (2) metálica, que contiene una estructura de cavidad (13) estanca al vacío en la que están dispuestas las membranas MIEC, cerradas por un lado, insertadas de manera estanca al gas,
- está presente al menos una pared de separación (15) para la división en cámaras, presentando cada cámara un regenerador estacionario (6 o 9), una calefacción adicional (7 u 8) y una parte de las membranas MIEC, y estando presente en cada pared de separación (15) una abertura (16), de manera que está garantizado un paso para el aire fresco desde la cámara aguas abajo de la entrada (11) hasta la cámara aguas arriba de la salida (12), - un ventilador aguas arriba (4) está dispuesto aguas arriba de la entrada (11),
- un ventilador aguas abajo (10) está dispuesto aguas abajo de la salida (12), presentando el ventilador aguas arriba (4) y el ventilador aguas abajo (10) direcciones de aspiración opuestas,
- está presente un intercambiador de calor regenerativo (5), estando asignadas áreas parciales a la entrada (11) y otras áreas parciales a la salida (12), y
- la bomba de vacío (14) está dispuesta en conexión con la estructura de cavidad (13) para aspirar el oxígeno extraído.
7. Sistema de membrana según la reivindicación 6 caracterizado por que la carcasa (1) es una carcasa (1) no estanca a la presión.
8. Sistema de membrana según las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado por que las direcciones de aspiración opuestas se pueden ajustar de forma reversible.
9. Sistema de membrana según las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado por que el ventilador aguas arriba (4) y el ventilador aguas abajo (10) están dispuestos sobre un distribuidor giratorio (17) de tal manera que, cuando se gira el distribuidor giratorio (17), la entrada (11) migra desde la cámara dispuesta aguas abajo de la entrada (11) hasta la cámara en cada caso adyacente y, por consiguiente, la salida (12) migra desde la cámara opuesta hasta la cámara adyacente.
10. Sistema de membrana según la reivindicación 9, caracterizado por que la entrada (11) y, por consiguiente, la salida (12) se extienden cada una de ellas sobre varias cámaras adyacentes.
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