JP2009095729A - Method of condensing oxygen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用した酸素濃縮方法に関する。 The present invention relates to an oxygen concentrating method using an oxygen separator having a leak from a gas supply side to a gas permeation side, which is a pressure-driven system using a separation membrane made of an oxide ion conductive oxide.
酸化物イオン伝導性酸化物を使った酸素分離技術は、高温下、酸化物イオンの形で酸化物中を移動する現象を利用したものであり、その方式は大別して2通りある。
一つは、電力駆動方式である。これは、代表的な技術として特許文献1で開示されているように、酸化物イオン伝導性酸化物を挟んで陽極と陰極を形成し電圧をかけることによって、陰極側から陽極側へと酸化物イオンの形で電流として移動する。この場合、酸化物イオンの透過のしやすさは、酸化物の物性値の一つである「酸化物イオン導電率」でほぼ決まる。
Oxygen separation technology using oxide-ion-conducting oxides utilizes the phenomenon of moving through oxides in the form of oxide ions at high temperatures.
One is a power drive system. As disclosed in Patent Document 1 as a representative technique, an oxide is formed from a cathode side to an anode side by forming a positive electrode and a negative electrode with an oxide ion conductive oxide sandwiched between them. It moves as current in the form of ions. In this case, the ease of transmission of oxide ions is almost determined by the “oxide ion conductivity” which is one of the physical properties of the oxide.
この方式は、次に述べる圧力駆動方式のような酸素分圧の異なる環境を作る必要はなく、電力を使って低酸素分圧側から高酸素分圧側へ酸素を輸送することも可能なため、酸素ポンプといった言い方もされている。しかしながら、高温に必要なエネルギーの回収は困難であり、酸素の製造に必要な電力は原理的に水の電気分解と変わらないため、少量の比較的純度の高い酸素を必要とするところ以外では経済的に成立が困難な酸素製造方式である。 This method does not need to create an environment with different oxygen partial pressures as in the pressure driven method described below, and oxygen can be transported from the low oxygen partial pressure side to the high oxygen partial pressure side using electric power. It is also called a pump. However, it is difficult to recover the energy required for high temperatures, and the power required for oxygen production is in principle the same as electrolysis of water, so it is economical except where a small amount of oxygen with relatively high purity is required. This is an oxygen production method that is difficult to achieve.
別の方式は、圧力駆動方式である。これは、酸素分圧の異なる2種類のガスを隔離することにより、酸素分圧の高い側から低い側へ酸化物イオンの形で酸化物中を移動する現象に基づいている。酸化物イオンの移動に伴う電荷のバランスを保つため、酸化物イオン伝導性酸化物の中でも電子伝導性を併せ持つ混合伝導性酸化物と呼ばれる酸化物が用いられる。即ち、酸化物イオンの移動に伴う電荷のバランスを電子の移動で補償するため、外部回路なしで酸素の透過が持続する。 Another method is a pressure drive method. This is based on a phenomenon in which two types of gases having different oxygen partial pressures are sequestered to move through the oxide in the form of oxide ions from the high oxygen partial pressure side to the low oxygen partial pressure side. In order to maintain the balance of charges accompanying the movement of oxide ions, among oxide ion conductive oxides, oxides called mixed conductive oxides having both electron conductivity are used. That is, in order to compensate for the charge balance accompanying the movement of oxide ions by the movement of electrons, the permeation of oxygen is maintained without an external circuit.
この場合も、酸化物イオンの透過のしやすさは、材料である酸化物の酸化物イオン導電率が一つの指標となる。即ち、この値が高いほど酸化物イオンは透過しやすい。従って、従来、酸化物イオン導電率を上げるための材料設計と材料調製法が種々開発されてきた。 In this case as well, the ease of permeation of the oxide ions is an index based on the oxide ion conductivity of the material oxide. That is, the higher this value, the easier it is for the oxide ions to permeate. Therefore, various material designs and material preparation methods for increasing the oxide ion conductivity have been developed.
一方、材料開発の面だけではなく、実際に分離するに当たって以下に述べる工夫によって酸化物イオンを透過しやすくできる。即ち、
(イ)酸素分離の駆動力となる酸素分圧比を大きくする
(ロ)分離温度を高温化する
(ハ)透過距離を小さくする(薄膜化する)
On the other hand, not only in terms of material development, but also in actual separation, oxide ions can be easily transmitted by the following device. That is,
(B) Increasing the oxygen partial pressure ratio that is the driving force for oxygen separation (b) Increasing the separation temperature (c) Decreasing the transmission distance (thinning the film)
酸素分圧比を大きくするには、例えば、酸素含有混合ガス(空気など)を高圧化する、分離側を減圧する、あるいはこれらの組み合わせで実現される。但し、分離側を減圧にする場合には、減圧に要するエネルギーの回収が困難であるため、例えば特許文献2で開示されているように、実用上は酸素含有混合ガス側を高圧化し、分離に寄与せず排出されるガス流体を使ってガスタービンを駆動することによってエネルギーの回収が図られる。 Increasing the oxygen partial pressure ratio can be achieved, for example, by increasing the pressure of the oxygen-containing mixed gas (such as air), reducing the pressure on the separation side, or a combination thereof. However, when the pressure on the separation side is reduced, it is difficult to recover the energy required for pressure reduction.For example, as disclosed in Patent Document 2, the oxygen-containing mixed gas side is increased in pressure for practical use. Energy is recovered by driving the gas turbine with the gas fluid discharged without contributing.
分離温度の高温化は、酸化物イオン導電率自体が温度の関数であり高温ほど高くなる現象に基づくほか、これとは別に酸素分離速度が絶対温度に比例して上昇するため非常に有利となる。但し、高温領域では使用される金属材料が限定されるため、通常、700℃〜950℃といった温度域が選択される。 The high separation temperature is based on the phenomenon that the oxide ion conductivity itself is a function of temperature and increases as the temperature rises. In addition, the oxygen separation rate increases in proportion to the absolute temperature. . However, since the metal material to be used is limited in the high temperature range, a temperature range of 700 ° C. to 950 ° C. is usually selected.
透過距離を小さくする(薄膜化する)と、透過の律速が酸化物イオンの移動にある限り分離速度は膜厚に反比例するため、例えば、膜厚を半分にすることで分離速度を2倍にすることができる。但し、薄くすることによって酸素以外のガス分子が通り抜けられるような欠陥の発生頻度も上昇し、分離酸素の純度の低下を招くため、むやみに薄くできない。また、表面反応が酸素の透過を律速する場合には、薄くしても酸素の透過速度を増大させることができないため、表面反応を活性化する手段を講じる必要がある。 If the permeation distance is reduced (thinning), the separation speed is inversely proportional to the film thickness as long as the transmission rate is controlled by the movement of oxide ions. For example, by halving the film thickness, the separation speed is doubled. can do. However, the thinning increases the frequency of occurrence of defects that allow gas molecules other than oxygen to pass through, leading to a decrease in the purity of the separated oxygen. Further, when the surface reaction controls the oxygen permeation, the oxygen permeation rate cannot be increased even if the surface reaction is reduced. Therefore, it is necessary to take a means for activating the surface reaction.
酸化物イオン透過性酸化物を使った酸素分離技術は、従来の酸素製造法である酸素PSA(Pressure Swing Adsorption)や深冷分離とは全く異なる原理で酸素を得る技術である。その最大の特徴は、原理的に酸素しか透過しないため高純度酸素の製造が可能、及び安価な酸素製造が可能性という点にあり、世界中で開発が進められている。 The oxygen separation technique using oxide ion permeable oxide is a technique for obtaining oxygen on a principle completely different from oxygen PSA (Pressure Swing Adsorption) and the deep cold separation, which are conventional oxygen production methods. Its greatest feature is that, in principle, only oxygen can permeate, so that high-purity oxygen can be produced, and inexpensive oxygen production is possible, and development is underway all over the world.
一方で、酸化物イオン透過性酸化物を使った酸素分離装置では、酸素分離の駆動力となる酸素分圧比を大きくするため、例えば空気を2MPa程度まで昇圧させるなど、常圧である分離酸素側との間に大きな差圧が発生する。このため、極わずかなリークパスが存在しただけで分離酸素の純度は大きく低下する。従って、特に無欠陥薄膜の形成と分離膜を保持する部材との接合部における高温ガスシール性付与に関する開発に注力が注がれているのが現状である。例えば、特許文献3では、酸素以外のガスリーク量が少ない分離膜の開発がなされている。 On the other hand, in the oxygen separation device using oxide ion permeable oxide, the oxygen separation pressure side that is a normal pressure, for example, the pressure of air is increased to about 2 MPa in order to increase the oxygen partial pressure ratio that is the driving force of oxygen separation. A large differential pressure is generated between For this reason, the purity of the separated oxygen is greatly reduced by the presence of a very slight leak path. Therefore, the current situation is that the development is focused on the formation of a defect-free thin film and the provision of high-temperature gas sealability at the joint between the member holding the separation membrane. For example, in Patent Document 3, a separation membrane with a small amount of gas leakage other than oxygen has been developed.
一方、特許文献4では、酸化物イオン透過性酸化物を分離膜として使用した酸素製造装置においてガスの漏洩がないシール方法の開発がなされている。しかしながら、現状では、無欠陥とした分離膜や漏洩がないガスシール等にして、全くリークのない酸素分離装置が開発されていないため、高純度酸素の分離という特徴が生かせず、実用化には至っていない。 On the other hand, in Patent Document 4, the development of a sealing method that does not cause gas leakage in an oxygen production apparatus using an oxide ion permeable oxide as a separation membrane has been made. However, at present, no oxygen-separation device that does not leak at all, such as a defect-free separation membrane or a gas seal that does not leak, has been developed. Not reached.
上述のように、現状、酸化物イオン透過性酸化物を使った酸素分離装置では、酸素分離膜形成で不可避であるリークパスや高温ガスシール性の不完全性等によるリークは避けることはできない。 As described above, in an oxygen separation apparatus using an oxide ion permeable oxide as described above, it is impossible to avoid a leak path, which is unavoidable in forming an oxygen separation film, and a leak due to imperfectness in high-temperature gas sealability.
本発明は、前述した現状の課題を鑑み、酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式としたガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用した上で、前記リークの影響を最小限に留めて実用的な酸素濃縮をすることが可能な酸素濃縮方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described current problems, the present invention uses an oxygen separation device having a leak from a gas supply side to a gas permeation side using a pressure-driven system with a separation membrane made of an oxide ion conductive oxide. An object of the present invention is to provide an oxygen concentration method capable of performing practical oxygen concentration while minimizing the influence of leakage.
上述の課題を解決するための本発明の要旨は、次の通りである。
(1)酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用し、常圧を越え0.5MPa未満の圧力有し、酸素濃度が25〜95%の酸素含有ガス(A)を前記ガス供給側とし、前記ガス透過側を常圧とすることを特徴とする酸素濃縮方法。
The gist of the present invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
(1) Uses an oxygen separation device with a leak from the gas supply side to the gas permeation side using a pressure-driven system with a separation membrane made of oxide ion conductive oxide, and has a pressure exceeding 0.5 MPa and exceeding normal pressure An oxygen concentrating method characterized in that an oxygen-containing gas (A) having an oxygen concentration of 25 to 95% is set as the gas supply side, and the gas permeation side is set at normal pressure.
(2)前記ガス供給側に供給する前記酸素含有ガス(A)が、前記酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜を使って得られたことを特徴とする(1)記載の酸素濃縮方法。 (2) The oxygen concentration method according to (1), wherein the oxygen-containing gas (A) supplied to the gas supply side is obtained using a separation membrane made of the oxide ion conductive oxide. .
(3)酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用し、常圧を越え0.5MPa未満の圧力を有し、酸素濃度が25〜95%の酸素含有ガス(A)を前記ガス供給側とし、前記ガス透過側を常圧として酸素濃縮し、
前記ガス供給側から分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)を前記酸素分離装置のガス供給側に供給してリサイクルすることを特徴とする酸素濃縮方法。
(3) Use a pressure-driven oxygen separation device with a separation membrane made of oxide ion-conducting oxide and leak from the gas supply side to the gas permeation side. The oxygen-containing gas (A) having an oxygen concentration of 25 to 95% is used as the gas supply side, and the oxygen is concentrated at the gas permeation side as normal pressure.
A gas (C) obtained by further separating oxygen from the gas (B) discharged without passing through the separation membrane from the gas supply side is supplied to the gas supply side of the oxygen separation device and recycled. Oxygen enrichment method.
(4)前記リークが、1×10-6〜1×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1であることを特徴とする(1)又は(3)記載の酸素濃縮方法。 (4) The oxygen concentration according to (1) or (3), wherein the leak is 1 × 10 −6 to 1 × 10 −8 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1 Method.
(5)前記ガス供給側から前記分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離した前記ガス(C)とする手段が、吸着及び脱離により行われる分離方法であることを特徴とする(3)記載の酸素濃縮方法。 (5) A separation method in which oxygen is further separated from the gas (B) discharged without passing through the separation membrane from the gas supply side to obtain the gas (C) by adsorption and desorption. (2) The oxygen concentration method according to (3).
(6)前記酸化物イオン伝導性酸化物が、立方晶ペロブスカイト型であることを特徴とする(1)又は(3)記載の酸素濃縮方法。 (6) The oxygen concentration method according to (1) or (3), wherein the oxide ion conductive oxide is a cubic perovskite type.
本発明によれば、分離前後の圧力差が小さくて済むため、酸素分離装置におけるガス供給側からガス透過側へのリークの影響を最小限にし、従来原理的には高純度酸素分離が可能と言われながらも実用化できなかった分離膜による高純度酸素の製造が本発明の酸素濃縮方法で実現される。更に、分離膜の形成歩留まり、及び高温ガスシール性が求められる接合部における形成歩留まりが大幅に改善されるため、安価な高純度酸素を製造することが可能となる。 According to the present invention, since the pressure difference before and after the separation can be small, the influence of leakage from the gas supply side to the gas permeation side in the oxygen separation device is minimized, and high-purity oxygen separation is possible in principle. Production of high-purity oxygen using a separation membrane that has been said but could not be put into practical use is realized by the oxygen concentration method of the present invention. Furthermore, since the formation yield of the separation membrane and the formation yield at the junction where high-temperature gas sealability is required are greatly improved, it is possible to produce inexpensive high-purity oxygen.
ガス供給側から常圧に保たれたガス透過側に向かって酸化物イオンの形態で高選択的に分離膜内を透過させるためには、ガス供給側に供給する酸素含有ガス(A)の酸素分圧は0.1MPa以上にする必要がある。本発明の、常圧を越え0.5MPa未満の低い圧力を有する酸素含有ガス(A)から酸化物イオンを透過させようとすると、通常の空気(酸素濃度20.6%)を用いると、ガス供給側の酸素含有ガス(A)の酸素分圧は次のようになる。
即ち、0.206×0.5=0.103(MPa)となり、透過の駆動力は事実上ないに等しい。従って、実用的な透過の駆動力を得るには、酸素含有ガス(A)として、酸素濃度が25%以上必要である。一方、酸素濃度が95%を越えると、既に酸素濃度が高いので、酸素濃縮の効果が小さく、実用的ではない。従って、前記酸素含有ガス(A)としては所謂、酸素濃度25%以上の酸素富化空気、又は酸素濃度95%以下の低純度酸素が用いられる。
In order to permeate through the separation membrane with high selectivity in the form of oxide ions from the gas supply side to the gas permeation side maintained at normal pressure, oxygen of the oxygen-containing gas (A) supplied to the gas supply side The partial pressure must be 0.1 MPa or more. When trying to permeate oxide ions from the oxygen-containing gas (A) having a low pressure exceeding 0.5 MPa and exceeding the normal pressure of the present invention, if normal air (oxygen concentration 20.6%) is used, The oxygen partial pressure of the oxygen-containing gas (A) is as follows.
That is, 0.206 × 0.5 = 0.103 (MPa), and the driving force for transmission is virtually equal. Therefore, in order to obtain a practical driving force for transmission, the oxygen-containing gas (A) needs an oxygen concentration of 25% or more. On the other hand, if the oxygen concentration exceeds 95%, the oxygen concentration is already high, so that the effect of oxygen concentration is small and not practical. Therefore, as the oxygen-containing gas (A), so-called oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 25% or higher or low-purity oxygen having an oxygen concentration of 95% or lower is used.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1に、酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜を使い、低純度の酸素ガスを原料にして、酸化物イオンの形態で高選択的に分離膜内を透過させることによって酸素を濃縮する方法の具体的を示す。なお、ここでは分離膜の形状として片側が閉じられた円筒管を例示しているが、これは平板等その他の形状でも構わない。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG. 1, a separation membrane made of an oxide ion permeable oxide is used, and oxygen is concentrated by permeating through the separation membrane with high selectivity in the form of oxide ions using low purity oxygen gas as a raw material. Specific method is shown. Here, a cylindrical tube closed on one side is illustrated as the shape of the separation membrane, but this may be other shapes such as a flat plate.
酸素分離装置本体101の中に、複数本の酸素分離管104が空間102と空間103を隔離するように置かれる。酸素分離管104は、多孔質支持管の上に極薄膜が形成された構造をとっており、多孔質支持管部分で空間102と空間103の間に発生する圧力差を保持するための強度を持たせ、薄膜部分で実際の酸素分離を行うようになっている。多孔質支持管と薄膜のそれぞれの厚さは、次のような観点から適宜選択される。多孔質支持管は保持すべき圧力差を勘案して一定以上の厚さが必要となるが、一方、あまり厚くなると通気抵抗が発生し、酸素透過速度(酸化物イオンの透過を、O2ガスの透過として換算した速度)が低下する。一般的には、0.5mm以上10mm以下の範囲で選択される。薄膜は、酸素透過速度を増大させる上で薄いほど有利となるが、あまり薄くなると欠陥部を通して不純物ガスの進入が起き易くなり、多量の不純物ガスが進入するため、一般的には、1μm以上1mm以下の範囲で選択される。
A plurality of
酸素分離管104は、空間102と空間103を隔離するように複数本が酸素分離装置本体101に置かれるため、分離管本体によるガスのリークに加え、分離管を保持する箇所(図示せず)との接合部におけるリーク発生の可能性がある。
Since a plurality of
低純度酸素、例えば、93%の酸素を106から供給し、ガスタービン111の圧縮部112によって昇圧後(この際、断熱圧縮により若干昇温を伴う)、熱交換器109によって更に昇温、最終的に107から導入される燃料を燃焼器108で燃焼して所定温度(例えば900℃)まで昇温される。酸素分離装置101からの排ガスは熱交換器109によって一部を原料である低純度酸素ガスに熱を移動した後、燃焼器110によってガスタービン111内にある膨張タービン113を駆動するのに必要な温度まで昇温される。
Low-purity oxygen, for example, 93% oxygen is supplied from 106, and after the pressure is increased by the
一方、酸素分離管104を通して濃縮された酸素が排出口105から回収される。
燃焼器108は、上述したように燃焼によって直接加熱する方式の方が望ましいが、電気的な加熱手段を用いることも可能である。また、直接加熱方式でも、火炎を発するバーナー方式のものや燃料の酸化を促進する触媒を使った触媒燃焼器などを使っても良い。
On the other hand, the concentrated oxygen is recovered from the
As described above, the
ここで、酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜による酸素分離濃縮装置を使用して、従来の高圧酸素含有ガスから酸素濃縮と、本発明の低圧酸素含有ガスから酸素濃縮について得られる酸素濃縮ガスの酸素純度を比較する。前者の例として空気を、後者の例として93%低純度酸素ガスをそれぞれ酸素含有ガスとして用いた時を考える。前提条件として、分離膜の酸素透過性能(速度)を1.5×10-3Nm3・s-1・m-2(但し、酸素透過の駆動力:入側酸素分圧/出側酸素分圧=0.18MPa/0.1MPa)とし、分離管および接合部の全リーク速度(単位面積あたり)を8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1とする。
なお、上記単位中のNm3は、標準状態(0℃、1atm=101.325kPa)におけるガス体積を示しており、以降も同様に表記する。
Here, using an oxygen separation / concentration apparatus with a separation membrane made of oxide ion conductive oxide, oxygen concentration obtained from the conventional high-pressure oxygen-containing gas and oxygen concentration from the low-pressure oxygen-containing gas of the present invention Compare the oxygen purity of the gases. Consider the case where air is used as the former example and 93% low-purity oxygen gas is used as the oxygen-containing gas as the latter example. As a prerequisite, the oxygen permeation performance (speed) of the separation membrane is 1.5 × 10 −3 Nm 3 · s −1 · m −2 (however, the driving force of oxygen permeation: inlet side oxygen partial pressure / outlet side oxygen partial pressure = 0.18 MPa / 0.1 MPa) and then, to the total leakage rate of the separation tube and joining portions (per unit area) and 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1.
Nm 3 in the above unit represents the gas volume in the standard state (0 ° C., 1 atm = 101.325 kPa), and will be similarly expressed thereafter.
空気を原料とした場合:21%酸素が燃焼器によって18%まで低下したとして、酸素分圧
0.18MPaになるためには全圧を1MPaまで昇圧する必要がある。差圧は0.9MPa(900kPa)。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×900kPa=7.2×10-5Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内18%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+7.2×10-5×0.18)/(1.5×10-3+7.2×10-5)=96.24% When using air as the raw material : Assuming that 21% oxygen has dropped to 18% by the combustor, oxygen partial pressure
To reach 0.18MPa, it is necessary to increase the total pressure to 1MPa. The differential pressure is 0.9MPa (900kPa).
The leak rate is 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 × 900 kPa = 7.2 × 10 -5 Nm 3 · s -1 · m -2 , and 18% of the leak rate is Since oxygen is contained, the separated oxygen purity is as follows.
Separation oxygen purity = (1.5 x 10 -3 +7.2 x 10 -5 x 0.18) / (1.5 x 10 -3 +7.2 x 10 -5 ) = 96.24%
93%酸素を原料とした場合:93%酸素が燃焼器によって90%まで低下したとして、酸素分圧0.18MPaになるためには全圧を0.2MPaまで昇圧すれば良い。差圧は0.1MPa(100kPa)。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×100kPa=8×10-6Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内90%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+8×10-6×0.9)/(1.5×10-3+8×10-6)=99.95% When 93% oxygen is used as a raw material : If 93% oxygen is reduced to 90% by the combustor, the total pressure may be increased to 0.2 MPa in order to achieve an oxygen partial pressure of 0.18 MPa. The differential pressure is 0.1MPa (100kPa).
The leak rate is 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 × 100kPa = 8 × 10 -6 Nm 3 · s -1 · m -2 , and 90% of the leak rate is 90% Since oxygen is contained, the separated oxygen purity is as follows.
Separation oxygen purity = (1.5 x 10 -3 +8 x 10 -6 x 0.9) / (1.5 x 10 -3 +8 x 10 -6 ) = 99.95%
このように、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1と極めて少ないリーク量を実現できたとしても、リークがある酸素分離装置ではガス供給側に空気を用い1MPaまで高圧にすると、得られる酸素の純度は96%程度に留まる。一方、93%の低純度酸素を用いた場合には、0.2MPaまで昇圧すれば良いことから高効率な酸素濃縮が可能となり、99.95%の高純度酸素が得られる。 In this way, even if an extremely small leak amount of 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 can be achieved, an oxygen separator with a leak uses air on the gas supply side to 1 MPa. When the pressure is increased to a high pressure, the purity of the obtained oxygen remains at about 96%. On the other hand, when 93% low-purity oxygen is used, the pressure can be increased to 0.2 MPa, so that highly efficient oxygen concentration is possible, and 99.95% high-purity oxygen is obtained.
93%程度の低純度の酸素は圧力スイング吸着法などを使って安価に製造することが可能であるため、本発明による酸素濃縮方法は高純度酸素製造法としても用いることができる。更に、99.95%までの高純度が必要でない場合には、薄膜に求められる耐リーク特性が緩和されるため更なる薄膜化が可能となり、分離速度(酸素濃縮処理量)の大幅向上に繋がり、酸素濃縮コストの削減に寄与することができる。 Since low purity oxygen of about 93% can be produced at low cost using a pressure swing adsorption method or the like, the oxygen concentration method according to the present invention can also be used as a high purity oxygen production method. Furthermore, when high purity up to 99.95% is not required, the leak resistance required for the thin film is alleviated, so further thinning is possible, leading to a significant improvement in the separation rate (oxygen concentration treatment amount) and oxygen. This can contribute to reduction of the concentration cost.
本発明におけるリークとは、酸素分離装置におけるガス供給側からガス透過側に起こる酸素ガス以外のガスの透過であり、酸素分離装置におけるトータルリークである。前記リークの原因としては、上述のように、例えば、酸素分離膜の欠陥等によるリーク、ガスシール性の不完全性によるリークが主であるが、その他の原因によるリークも含まれる。 The leak in the present invention is a permeation of gas other than oxygen gas that occurs from the gas supply side to the gas permeation side in the oxygen separation device, and is a total leak in the oxygen separation device. As described above, the cause of the leak is mainly a leak due to an oxygen separation membrane defect or the like, or a leak due to imperfect gas sealability, but also includes a leak due to other causes.
本発明の酸素濃縮方法では、酸素分離装置におけるトータルのガスリーク量として、次の範囲とする。即ち、1×10-6〜1×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1の範囲で好適に用いることができる。この範囲を超えてリーク量が大きくなると濃縮による酸素純度は99%のレベルを確保できなくなり、上述の圧力スイング吸着法を2段で稼動させた場合に対する経済的メリットが享受しがたくなる場合がある。また、従来の分離膜作製技術、接合技術を使えば、ガスリーク量を1×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1以下に抑えることが可能である。 In the oxygen concentration method of the present invention, the total gas leak amount in the oxygen separator is set to the following range. That is, it can be suitably used in the range of 1 × 10 −6 to 1 × 10 −8 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1 . If the amount of leak increases beyond this range, the oxygen purity due to concentration cannot be secured at a level of 99%, and it may be difficult to enjoy the economic benefits of operating the above-mentioned pressure swing adsorption method in two stages. is there. Further, if a conventional separation membrane manufacturing technique and bonding technique are used, the amount of gas leak can be suppressed to 1 × 10 −6 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1 or less.
一方、上述の範囲を超えてリーク量を小さくしようとすると、分離膜、接合の部分で未だ確立されていない高度な技術が必要となり、必然的に歩留まり低下を招き実質的に経済性が確保できなくなる場合がある。仮に技術的に可能になった場合においては、大きな差圧条件下で酸素分離する従来技術を使えば高純度酸素の分離が可能となるため、本発明の酸素濃縮方法のメリットが低下する場合がある。 On the other hand, if it is attempted to reduce the amount of leakage beyond the above range, advanced technology that has not yet been established at the separation membrane and the junction part is necessary, which inevitably leads to a decrease in yield and substantially secures economic efficiency. It may disappear. If it is technically possible, high-purity oxygen can be separated by using the conventional technology that separates oxygen under a large differential pressure condition, which may reduce the merit of the oxygen concentration method of the present invention. is there.
本発明の更に望ましい実施形態は、酸化物イオン透過性酸化物からなる分離膜を使って得られた低純度酸素を、本発明の酸素含有ガス(A)として、上述のリークがある酸素分離装置のガス供給側に供給するというものである。この時、前記分離膜で得られる低純度酸素をいったんガスホルダーに貯蔵後、酸素含有ガス(A)として酸素分離装置のガス供給側に供給してもいいが、図2に例示した装置とすることにより、熱ロスや圧縮に伴うエネルギーロスを最小限に抑えることができる。 A further desirable embodiment of the present invention is an oxygen separation apparatus having the above-described leak, using low-purity oxygen obtained by using a separation membrane made of an oxide ion-permeable oxide as the oxygen-containing gas (A) of the present invention. The gas is supplied to the gas supply side. At this time, low-purity oxygen obtained by the separation membrane may be once stored in a gas holder, and then supplied as an oxygen-containing gas (A) to the gas supply side of the oxygen separator, but the apparatus illustrated in FIG. 2 is used. As a result, heat loss and energy loss accompanying compression can be minimized.
まず、第1の酸素分離装置本体201の中に、複数本の酸素分離管204が空間202と空間203を隔離するように置かれる。原料となる空気を211から供給し、ガスタービン216の圧縮部217によって昇圧後(この際、断熱圧縮により若干昇温を伴う)、熱交換器214によって更に昇温、最終的に212から導入される燃料を燃焼器213で燃焼して所定温度(例えば900℃)まで昇温される。第1の酸素分離装置201からの排ガスは熱交換器214によって一部を原料である空気に熱を移動した後、燃焼器215によってガスタービン216内にある膨張タービン218を駆動するのに必要な温度まで昇温される。
First, a plurality of
一方、第2の酸素分離装置本体206の排ガスは圧力調整弁220により低圧(例えば、0.2MPa)に保持されるため、酸素分離管204を通して得られる低純度の酸素205は、冷却されることなく、これにほぼ等しい常圧以上の圧力を有したまま第2の酸素分離装置本体206に送られる。
On the other hand, since the exhaust gas of the second oxygen separation device
第2の酸素分離装置本体206では、複数本の酸素分離管209が空間207と空間208を隔離するように置かれ、濃縮された高純度酸素210が得られる。圧力調整弁220を出た常圧の排ガスは熱交換器214によって冷却された後、排出される。
ここで、本方法で得られる濃縮された酸素の酸素濃度を計算する。第1の酸素分離装置本体201における分離条件を入側酸素分圧(ガス供給側)/出側酸素分圧(ガス透過側)=0.36MPa/0.2MPaとすると、透過の駆動力は前述の例と同じになるので、分離膜の酸素透過性能(速度)は1.5×10-3Nm3・s-1・m-2。分離管および接合部の全リーク速度(単位面積あたり)についても前述と同様、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1とする。
In the second oxygen separation device
Here, the oxygen concentration of the concentrated oxygen obtained by this method is calculated. Assuming that the separation condition in the first oxygen separation device
原料となる空気211が、燃焼器によって酸素濃度が18%まで低下したとして、酸素分圧0.36MPaになるためには全圧を2MPaまで昇圧する。差圧は1.8MPa(1800kPa)。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×1800kPa=1.44×10-4Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内18%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+1.44×10-4×0.18)/(1.5×10-3+1.44×10-4)=92.8%
Assuming that the
The leak rate is 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 × 1800 kPa = 1.44 × 10 -4 Nm 3 · s -1 · m -2 , and 18% of the leak amount is Since oxygen is contained, the separated oxygen purity is as follows.
Separation oxygen purity = (1.5 x 10 -3 +1.44 x 10 -4 x 0.18) / (1.5 x 10 -3 +1.44 x 10 -4 ) = 92.8%
第2の酸素分離装置本体206の分離条件を入側酸素分圧(ガス供給側)/出側酸素分圧(ガス透過側)=0.18MPa/0.1MPaとすると、低純度酸素205の濃度は92.8%なので、酸素分圧0.18MPaになるためには全圧を0.194MPaまで昇圧する。差圧は、次のようになる。即ち、0.094MPa(94kPa)。
リーク速度は、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1×94kPa=7.52×10-6Nm3・s-1・m-2となり、リーク量の内92.8%は酸素が含まれているので、分離酸素純度は次のようになる。
分離酸素純度=(1.5×10-3+7.52×10-6×0.928)/(1.5×10-3+7.52×10-6)=99.96%
となり、高純度に濃縮された酸素を得ることが可能になる。
Assuming that the separation condition of the second oxygen separation device
The leak rate is 8 × 10 -8 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 × 94 kPa = 7.52 × 10 -6 Nm 3 · s -1 · m -2 , and 92.8% of the leak rate is 92.8% Since oxygen is contained, the separated oxygen purity is as follows.
Separation oxygen purity = (1.5 x 10 -3 +7.52 x 10 -6 x 0.928) / (1.5 x 10 -3 +7.52 x 10 -6 ) = 99.96%
As a result, it is possible to obtain highly concentrated oxygen.
本発明の別の望ましい実施形態は、酸化物イオン伝導性酸化物からなる分離膜で圧力駆動方式とした、ガス供給側からガス透過側にリークがある酸素分離装置を使用し、常圧を越え0.5MPa未満の圧力を有し、酸素濃度が25〜95%の酸素含有ガス(A)をガス供給側とし、ガス透過側を常圧として酸素濃縮し、前記ガス供給側から分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)を前記酸素分離装置のガス供給側に供給してリサイクルする酸素濃縮方法である。 Another preferred embodiment of the present invention uses an oxygen separation device that leaks from the gas supply side to the gas permeation side using a pressure-driven system with a separation membrane made of oxide ion conductive oxide, and exceeds normal pressure. Oxygen-containing gas (A) having a pressure of less than 0.5 MPa and having an oxygen concentration of 25 to 95% is used as the gas supply side, oxygen concentration is performed with the gas permeation side as normal pressure, and the gas supply side passes through the separation membrane This is an oxygen concentration method in which a gas (C) obtained by further separating oxygen from the discharged gas (B) is supplied to the gas supply side of the oxygen separator and recycled.
前述した90%の低純度酸素の原料から酸素濃縮する場合、分離されずに排出されるガス流体にも大量の酸素が存在する。この残留酸素量は、原料である低純度酸素ガスの供給量と分離速度に応じて変化するが、例えば、原料に存在している酸素の50%を分離濃縮する場合(酸素回収率50%の場合)、約82%の酸素濃度を持ったガス流体が排出される。酸素回収率を更に高めようとすると、原料側の酸素分圧が低下することで、分離の駆動力が働きにくくなるため酸素分離速度が低下して効率が悪くなる。効率の低下を防ぐためには、酸素回収率を例えば50%未満に抑え、排出されるガス流体から別の手段で酸素を分離、これを元に戻すリサイクル型システムとすることが効率的である。 When oxygen is concentrated from the above-mentioned 90% low-purity oxygen raw material, a large amount of oxygen is also present in the gas fluid discharged without being separated. The amount of residual oxygen varies depending on the supply amount and separation rate of the low-purity oxygen gas that is the raw material. For example, when separating and concentrating 50% of the oxygen present in the raw material (with an oxygen recovery rate of 50%) ), A gas fluid having an oxygen concentration of about 82% is discharged. If an attempt is made to further increase the oxygen recovery rate, the oxygen partial pressure on the raw material side decreases, so that the driving force for separation becomes difficult to work, so the oxygen separation rate decreases and the efficiency deteriorates. In order to prevent a decrease in efficiency, it is efficient to reduce the oxygen recovery rate to, for example, less than 50%, separate oxygen from the exhausted gas fluid by another means, and return to the original system.
酸素分離装置から分離膜を透過せずに排出されるガス(B)から酸素を分離回収する手段として、酸素ガスの吸着・脱離の現象を利用したものが好適に利用される。具体的には、一般に知られている圧力スイング方式のPSA、あるいは温度スイング方式のTSAを上げることができる。 As means for separating and recovering oxygen from the gas (B) discharged without passing through the separation membrane from the oxygen separation device, those utilizing the phenomenon of adsorption / desorption of oxygen gas are suitably used. Specifically, the generally known pressure swing type PSA or temperature swing type TSA can be raised.
図3にこの具体的な例を示す。酸素分離装置本体301では、複数本の酸素分離管304が空間302と空間303を隔離するように置かれる。空間302は、圧縮機307と圧力調整弁313の調整によってある一定圧力まで昇圧され、分離によって濃縮された高純度酸素305が得られる。分離に寄与しないガス流体は熱交換器308によって冷却された後、PSA装置311によって酸素が吸着される。この時、外部から空間302に見合った圧力を有する空気312が補充される。吸着が進行している間、吸着されない酸素以外のガスは排出弁314を使って外部に排出される。吸着が完了した段階で圧力調整弁313を開け、93%程度の低純度酸素を圧縮機307へ送る。圧縮機307によって昇圧後(この際、断熱圧縮により若干昇温を伴う)、熱交換器308によって更に昇温、最終的に309から導入される燃料を燃焼器310で燃焼して所定温度(例えば900℃)まで昇温される。
FIG. 3 shows a specific example of this. In the oxygen separation device
図3下の図は、一連の高純度酸素製造のプロセスを概念的に示したもので、以下、順番に説明する。プロセスAは、圧力調整弁313を閉じたまま圧縮機307を稼動させることで、空間302の昇圧とPSA装置311内で吸着が進む過程である。プロセスBは、圧力調整弁313を閉じたまま圧縮機307を休止させることで、酸素分離装置における分離に伴い空間302の圧力が若干低下するが、PSA装置311内では吸着が更に進む過程である。プロセスCは、圧力調整弁313を開けることで、吸着した酸素が圧縮機307へ送られるとともに、空間302の圧力が低下する過程である。なお、この時、空間302と空間303の酸素分圧関係が逆転するが、逆止弁315により空間303から空間302へ酸素が逆流するのを防いでいる。
The lower diagram in FIG. 3 conceptually shows a series of processes for producing high-purity oxygen, and will be described below in order. Process A is a process in which the
酸素分離に用いられる酸化物イオン透過性酸化物としては、酸化ビスマス系、セリア系、ジルコニア系、ペロブスカイト型酸化物、パイロクロア型酸化物など、850℃で10-2Scm-1以上の酸化物イオン導電率を有する酸化物が好適に用いられる。中でも、酸化物イオン導電率が高い、実質的に立方晶ペロブスカイト酸化物が最も好適に用いられる。ここで、実質的にとは、近似的には立方晶となるペロブスカイト酸化物でも、実際には結晶構造が若干歪んだ構造となっていることから、厳密に立方晶ペロブスカイト酸化物に限定するものではないことを示している。 Oxide ion permeable oxides used for oxygen separation include bismuth oxide-based, ceria-based, zirconia-based, perovskite-type oxides, pyrochlore-type oxides, etc., which have an oxide ion of 10 −2 Scm −1 or more at 850 ° C. An oxide having conductivity is preferably used. Among them, a substantially cubic perovskite oxide having a high oxide ion conductivity is most preferably used. Here, the term “substantially” means that even a perovskite oxide that is approximately cubic crystal is actually limited to a cubic perovskite oxide because the crystal structure is actually slightly distorted. It is not.
(実施例1)
図1で例示した酸素分離装置の内、ガスタービンを除くシステムを使って、原料に空気を用いた場合と低純度酸素を用いた場合を比較した。試験に供した分離管(10本)の総膜面積は0.2m2、10本の分離管の平均リーク速度は5×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1であった。これを酸素分離装置内に固定したところ、接合部において若干のリークが発生し、常温においてトータルのリーク速度は、次のようになる。
即ち、1.6×10-8Nm3・s-1・kPa-1(分離膜面積当たりでは、8×10-8Nm3・s-1・m-2・kPa-1)であることがわかった。
Example 1
Using the system excluding the gas turbine in the oxygen separator exemplified in FIG. 1, the case where air was used as a raw material and the case where low purity oxygen was used were compared. The total membrane area of the separation tubes (10 tubes) used in the test was 0.2 m 2 , and the average leakage rate of the 10 separation tubes was 5 × 10 −8 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1. It was. When this was fixed in the oxygen separator, a slight leak occurred at the junction, and the total leak rate at room temperature is as follows.
That is, it was found to be 1.6 × 10 −8 Nm 3 · s −1 · kPa −1 (8 × 10 −8 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1 per separation membrane area). .
1MPaに加圧した空気から分離された酸素の濃度をガスクロマトグラフで評価した所、96.2%であることが分かった。一方、93%低純度酸素(残り窒素の混合ガス)を用いて0.2MPaの圧力から分離した酸素濃度は、99.9%以上であることを確認した。
高純度酸素の分離が可能であることが固体電解質酸化物の大きなメリットと一般に言われる中、実際には高純度を実現するには極めて高度な低リーク対策を打つ必要があるが、本発明により、容易に酸素の濃縮が行われ高純度酸素製造が実現できることが確認できた。
When the concentration of oxygen separated from air pressurized to 1 MPa was evaluated by gas chromatography, it was found to be 96.2%. On the other hand, it was confirmed that the oxygen concentration separated from the pressure of 0.2 MPa using 93% low-purity oxygen (remaining nitrogen mixed gas) was 99.9% or more.
While it is generally said that separation of high-purity oxygen is a major advantage of solid electrolyte oxides, it is actually necessary to take extremely advanced measures against low leakage to achieve high purity. It was confirmed that oxygen concentration was easily performed and high-purity oxygen production could be realized.
(実施例2)
リーク速度の大きな分離管を使い、実施例1と同様の試験を行った。使用した酸素分離管の総面積は0.2m2、平均リーク速度は1.9×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1であった。これを酸素分離装置内に固定したところ、最終的に接合部リークを含めたトータルのリーク速度は4×10-7Nm3・s-1・kPa-1(分離膜面積当たりでは、2×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1)となった。
(Example 2)
The same test as in Example 1 was performed using a separation tube having a high leak rate. The total area of the oxygen separator used was 0.2 m 2 and the average leak rate was 1.9 × 10 −6 Nm 3 · s −1 · m −2 · kPa −1 . When this was fixed in the oxygen separator, the total leak rate including the junction leak was 4 × 10 −7 Nm 3 · s −1 · kPa −1 (2 × 10 per separation membrane area). -6 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 ).
酸素分離試験の結果、0.2MPaの93%低純度酸素(残り窒素の混合ガス)から分離した酸素濃度は98.8%であることを確認した。99%を下回る純度に留まった。
1.9×10-6Nm3・s-1・m-2・kPa-1程度のリークを示す酸素分離管は比較的容易に製造できること、また接合部におけるリーク速度も実施例1と比較して大きくこのレベルであれば高い確率で接合することができることを考慮すると、本発明による酸素の濃縮方法が十分有効であると言える。
As a result of the oxygen separation test, it was confirmed that the oxygen concentration separated from the 0.2 MPa 93% low-purity oxygen (remaining nitrogen mixed gas) was 98.8%. The purity remained below 99%.
An oxygen separation tube exhibiting a leak of about 1.9 × 10 -6 Nm 3 · s -1 · m -2 · kPa -1 is relatively easy to manufacture, and the leak rate at the joint is larger than that of Example 1. Considering that bonding can be performed with a high probability at this level, it can be said that the oxygen concentration method according to the present invention is sufficiently effective.
101 酸素分離装置本体
102 酸素分離管外面と酸素分離装置本体の間の空間
103 酸素分離管内面と酸素分離装置本体の間の空間
104 酸素分離管
105 濃縮された高純度酸素
106 低純度酸素
107 燃料
108 燃焼器
109 熱交換器
110 燃焼器
111 ガスタービン
112 圧縮部
113 膨張タービン
114 排出口
201 第1の酸素分離装置本体
202 酸素分離管外面と第1の酸素分離装置本体の間の空間
203 酸素分離管内面と第1の酸素分離装置本体の間の空間
204 酸素分離管
205 低純度酸素
206 第2の酸素分離装置本体
207 酸素分離管外面と第2の酸素分離装置本体の間の空間
208 酸素分離管内面と第2の酸素分離装置本体の間の空間
209 酸素分離管
210 濃縮された高純度酸素
211 原料空気
212 燃料
213 燃焼器
214 熱交換器
215 燃焼器
216 ガスタービン
217 圧縮部
218 膨張タービン
219 排出口
220 圧力調整弁
221 分離されずに排出されるガス(B)
301 酸素分離装置本体
302 酸素分離管外面と酸素分離装置本体の間の空間
303 酸素分離管内面と酸素分離装置本体の間の空間
304 酸素分離管
305 濃縮された高純度酸素
306 吸着・脱離現象によって分離された低純度酸素
307 圧縮機
308 熱交換器
309 燃料
310 燃焼器
311 PSA装置
312 空気
313 圧力調整弁
314 排出弁
315 逆止弁
DESCRIPTION OF
301 Oxygen
Claims (6)
前記ガス供給側から前記分離膜を透過せずに排出されたガス(B)から、更に酸素を分離したガス(C)を前記酸素分離装置のガス供給側に供給してリサイクルすることを特徴とする酸素濃縮方法。 Using an oxygen separator with a leak from the gas supply side to the gas permeation side using a separation membrane made of oxide ion conductive oxide and having a pressure from the gas supply side to the gas permeation side. Oxygen-containing gas (A) having a concentration of 25 to 95% is used as the gas supply side, oxygen concentration is performed using the gas permeation side as normal pressure,
A gas (C) obtained by further separating oxygen from the gas (B) discharged without passing through the separation membrane from the gas supply side is supplied to the gas supply side of the oxygen separator and recycled. To concentrate oxygen.
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