JPH11319464A - 蒸気パージを使用する個体電解質イオン導体酸素製造 - Google Patents

蒸気パージを使用する個体電解質イオン導体酸素製造

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JPH11319464A
JPH11319464A JP10326728A JP32672898A JPH11319464A JP H11319464 A JPH11319464 A JP H11319464A JP 10326728 A JP10326728 A JP 10326728A JP 32672898 A JP32672898 A JP 32672898A JP H11319464 A JPH11319464 A JP H11319464A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン搬送分離器モジュールのイオン搬送膜
の透過物側あるいはアノード側のために蒸気パージ流れ
を使用することにより、高圧の送給ガス流れを必要とせ
ずに酸素を効率的に回収し、また、イオン搬送膜の残留
物側に随意的に窒素を生成すること。 【解決手段】 酸素を含む送給ガス流れ１がコンプレッ
サあるいはブロワ２で加圧され、加圧ガス流れ４１は熱
交換器３内の残留物ガス流れ８及び随意的なガス流れ２
３により加熱されて加熱ガス流れ４２となり、ヒータ４
で更に加熱されて高温ガス流れ５となる。加圧水流れ３
６が熱交換器１０内で液体−ガス混合物流れ２８により
加熱されて高温水流れ３７となり、ボイラ凝縮器１１内
で蒸気流れ３８となった後スーパーヒータ１２内で高温
に加熱されて過熱蒸気流れ３９となり、ヒータ１３内で
更に加熱されて蒸気パージ流れ１４となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガス分離システムに
おける固体電解質イオン導体システムの使用に関し、詳
しくは、固体電解質イオン導体膜の透過物側をパージす
るために加圧蒸気を使用することによりプロセス効率を
増長させると共に、純酸素生成物を得るために容易に分
離することのできる酸素及び蒸気ガス流れを生成するこ
とに関する。
【０００２】
【従来の技術】空気その他のガス混合物から選択ガスを
分離するために、非極低温式のバルク酸素分離システ
ム、例えば、有機ポリマー膜システムが使用されてきて
いる。空気はガスの混合物であって、様々な量の水蒸気
を含み得るものであり、海面レベルでのその概略の組成
には、酸素２０．９％、窒素７８％、アルゴン０．９４
％及びその他の残余成分が含まれる。しかしながら、全
くタイプの異なる膜を特定の無機酸化物から作製するこ
とができる。無機酸化物から作製した個体電解質膜はカ
ルシウム安定化ジルコニウムあるいはイットリウム安定
化ジルコニウム並びに、フルオライトあるいはペロブス
カイト構造を有する類似の酸化物により類型化される。
【０００３】こうした酸化物セラミック材料はガス分離
膜としての可能性は大きいものの、それらを使用するに
際してはある種の問題が生じる。最も大きな問題は、既
知の全ての酸化物セラミック材料のイオン伝導性が高温
時にのみしか現れないことである。酸化物セラミック材
料は通常は５００℃よりもずっと高い温度、一般には６
００℃から９００℃の範囲で運転されるべきものであ
る。この制限は、もっと低い温度で十分に作用する材料
を見出すための研究が相当に行われても尚、解消されて
いない。固体電解質伝導体の技術は米国特許第５，５４
７，４９４号に記載されている。
【０００４】基本的なイオン搬送分離プロセスを使用し
て送給ガスから殆ど全ての酸素を除去して生成物窒素ガ
ス流れを生成するのは、仮にイオン搬送膜を無酸素流れ
を使用してパージすることができる場合には特に比較的
容易である。しかしながら、この基本的なイオン搬送分
離プロセスを使用して酸素を効率的に回収するのはずっ
と難しい。例えば、もし大気圧下に透過物ガス流れから
純酸素を取り出す場合、送給ガス流れの圧力はイオン搬
送膜を通して酸素を送り続けるために５気圧を十分に超
えるものとする必要がある。かくして、そうした圧力下
に送給ガス流れから要求生成物が出現しない場合には、
殆どの加圧エネルギーは残留物ガス流れあるいは窒素廃
棄物流れの中に失われてしまう。
【０００５】このプロセスに変わる別法には、イオン搬
送膜の透過物側を真空ポンピングすることにより、生成
物酸素ガス流れを汚染することなく透過プロセスのため
の駆動力を維持することが含まれる。しかしながら、真
空ポンプを運転するための相当なコストが必要となる。
固体電解質イオン伝導体を使用する、進歩した最新の空
気分離法が技術文献に示されている。米国特許第５，３
０６，４１１号には蒸気のような不活性の希釈剤を軽い
炭化水素送給ガスと混合し、イオン搬送膜のアノード側
から合成ガスあるいは未飽和炭化水素を透過物排液とし
て生成することが議論されている。酸素含有ガスが膜の
残留物側、即ちカソード側を通して送られ、その結果と
して生じる残留帯域から取り出された酸素減損ガスは明
らかに廃棄される。米国特許第５，１６０，７１３号に
は、透過物帯域には、酸素消費基材として導入される水
素と、膜を通して送られる酸素とが反応して蒸気が発生
することが記載される。
【０００６】米国特許第５，５６５，０１７号には、イ
オン搬送膜をガスタービンと一体化し、残留物ガス流れ
を加熱して蒸気を添加した後、この残留物ガス流れから
エネルギーを回収するシステムが記載される。米国特許
第５，５６２，７５４号にはイオン搬送膜の透過物側を
蒸気を使用して清掃し得ることが述べられる。酸素含有
ガスの流れが直火式の燃焼器内で加熱され、イオン搬送
膜の残留帯域を通して送られ、次いでガスタービンに送
られて動力を発生させる。次いで、この非透過物流れは
廃棄物として廃棄される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、イオン搬送分離器モジュールのイオン搬送膜の透過
物側、即ちアノード側のために蒸気パージ流れを使用す
ることにより、高圧の送給ガス流れを必要とせずに酸素
を効率的に回収し、また、イオン搬送膜の残留物側に随
意的に窒素を生成させることである。解決しようとする
他の課題は、高圧の蒸気パージ流れを提供し、その結果
生じた高圧の透過物ガス流れから水分を凝縮及び排出さ
せることにより、酸素コンプレッサを必要とすることな
く高圧の酸素を回収することである。解決しようとする
他の課題は、低レベルの廃熱流れをエネルギー源として
使用することにより蒸気パージ流れの温度を上昇させる
ことができるようにすることである。解決しようとする
他の課題は、廃熱を利用することができない場合に、圧
力を上昇させることで透過物ガス流れの凝縮温度をパー
ジ流れの沸騰温度よりもやや高くすることにより、透過
物ガス流れ中の水の凝縮熱をエネルギー源として使用す
ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、元素酸
素を含む送給ガス流れから、少なくとも、酸素を含む加
圧ガス流れと蒸気とを生成するための方法が提供され
る。本方法によれば、送給ガス流れは加圧され、次いで
加熱され、加熱された送給ガス流れは、透過物側及び残
留物側を有するイオン搬送膜を含むイオン搬送モジュー
ルを使用することにより、残留物側における酸素減損ガ
ス流れと、透過物側における酸素含有ガス流れとに分離
される。イオン搬送膜の透過物側は、好ましくは約３０
乃至約５００psia（絶対値での約２．１乃至３５．１kg
/cm2)、もっと好ましくは約４０乃至２５０psia（絶対
値での約２．８kg/cm2乃至約１７．５kg/cm2)の圧力の
蒸気を含むガス流れを使用してパージされそれにより、
酸素及び蒸気を含む加圧ガス流れが生成される。
【０００９】本発明の好ましい実施例においては、酸素
及び蒸気を含むこの加圧ガス流れは、水を凝縮及び排出
させることより、水蒸気飽和された生成物酸素ガス流れ
と残留物水流れとに分離される。ある好ましい実施例で
は、残留物水流れの分離には、酸素及び蒸気を含む加圧
ガス流れを別の流体流れと熱交換させる間に、この酸素
及び蒸気を含むガス流れに含まれる水の少なくとも一部
分を凝縮させ、酸素及び蒸気を含むガス流れをその露点
付近に冷却した後、ガス流れ中に含まれる蒸気が凝縮す
る前に加圧し、酸素及び蒸気を含むガス流れを、蒸気を
含むガス流れとなるところの水及び或は水蒸気流れと熱
交換させることが含まれる。“その露点付近に”とは、
好ましくは酸素及び蒸気を含むガス流れ中の蒸気の露点
の５０℃以内に対して参照され、もっと好ましくは３０
℃以内に対して参照される。加圧された送給ガス流れ
は、約１atm及び３atmの間、更に好ましくは約１．５at
m及び約３atmの間の圧力を有する。本発明の別の好まし
い実施例によれば、外部プロセスからの熱エネルギーを
使用して水流れを加熱して蒸気を含むガス流れを発生さ
せ、加圧された生成物酸素ガス流れが外部プロセスに送
られそこで使用される。生成物酸素ガス流れは、高分子
膜乾燥システムあるいは圧力スゥイング及び或は温度ス
ゥイング吸着乾燥システムを使用することにより、水蒸
気飽和された生成物酸素ガス流れから分離される。本発
明の更に別の好ましい実施例では、酸素及び蒸気を含む
ガス流れを、水流れあるいは水蒸気ガス流れと熱交換さ
せることにより、イオン搬送膜の透過物側をパージする
ために使用する蒸気を含むガス流れを過熱（ｓｕｐｅｒ
ｈｅａｔ）させる。本発明の更に別の好ましい実施例に
は、低レベルの廃熱流れを水流れあるいは水蒸気ガス流
れと熱交換させることで、イオン搬送膜の透過物側をパ
ージするために使用する蒸気を含むガス流れが発生され
る。イオン搬送膜の透過物側をパージするために使用す
る蒸気を含むガス流れは高圧ガス流れであることから、
高圧の酸素及び蒸気を含むガス流れが生成される。
【００１０】本発明によれば、元素酸素を含む送給ガス
流れから、少なくとも蒸気を含む酸素ガス流れを生成す
るための方法もまた提供される。送給ガス流れは加圧さ
れ、加圧された送給ガス流れは好ましくはイオン搬送反
応ヒータを使用して加熱される。加熱された送給ガス流
れは、透過物側及び残留物側を有するイオン搬送膜を含
むイオン搬送モジュールを使用して、残留物側における
酸素減損ガス流れと、透過物側における酸素ガス流れと
に分離され、イオン搬送膜の透過物側が蒸気を含むガス
流れを使用してパージされそれにより、酸素と蒸気とを
含むガス流れが生成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明には、加圧され過熱された
蒸気を使用してイオン搬送膜の透過物側をパージするこ
とが含まれる。蒸気流量が十分であることから、透過物
ガス流れ中の酸素分圧を低減させることが可能であるた
めに、送給ガス流れの圧力が、例えば大気圧に近いよう
な低圧である場合でさえも酸素の透過が許容される。透
過物ガス流れを冷却することにより、残留酸素を回収し
あるいは直接使用するようにすることが可能である。冷
却された酸素ガス流れは、そうでなければ純酸素である
が、幾分かの残留水蒸気を含んでいる。冷却された酸素
ガスは生成物として直接使用するかあるいは、例えば高
分子膜あるいはスゥイング吸着（ＰＳＡ）後純化装置
（ポストピュリファイヤ）及び或は温度スゥイング吸着
（ＴＳＡ）後純化装置内で更に乾燥させることができ
る。生成物酸素ガス流れは過熱蒸気の圧力を有し、この
圧力を生成物の必要に応じてもっと低いあるいは高いレ
ベルに調節することができる。蒸気パージが高圧である
場合、そうした高圧は送給水流れをポンピングすること
により容易に得られるのであるが、この透過物ガス流れ
から水を単に凝縮及び排出させるだけで高圧の酸素を回
収することが可能である。中圧あるいは高圧レベル下
に、好ましくは窒素が生成物あるいは副生成物として入
手される。
【００１２】蒸気の発生はエネルギー集約的なものであ
るために、本方法は、もし入手することができるのであ
れば低レベルの廃熱流れを利用することができるような
構成とすることが、あるいは透過物流れの圧力を中圧力
に上昇させ、透過物流れの凝縮温度を送給水流れの沸騰
温度以上に上げることで、透過物流れ中の凝縮水分から
熱を回収することが重要である。透過物流れをその露点
近くに冷却し、この透過物流れ中の水分が凝縮する前に
加圧し、次いで、イオン搬送膜の透過物側をパージする
ために使用する蒸気流れとなるところの水流れあるいは
水蒸気流れと熱交換させるのが好ましい。
【００１３】先に銘記したように、イオン搬送膜はこの
イオン搬送膜を横断する酸素分圧に差がある場合に酸素
を搬送する。イオン搬送膜の、窒素に関する酸素のため
の流量は高分子膜と比較して遙かに多く、また分離係数
は無限である。本発明で使用するイオン搬送モジュール
の形式は４ポート型の、向流流れパターンで好ましく運
転する形式のものである。つまり、この形式のモジュー
ルではパージ流れは、送給ガス流れに抗してイオン搬送
膜の透過物側に流入する。図１には向流流れ構成での方
法が示されるが、本発明をその他の、例えば並流流れ及
び横断流れの各構成の方法に等しく適用することができ
る。
【００１４】本発明の１実施例が図１に概略ダイヤグラ
ムとして例示される。運転中、酸素を含む送給ガス流れ
１（一般的には空気）がコンプレッサあるいはブロワ２
で加圧され、加圧ガス流れ４１が生成される。加圧ガス
流れ４１は、熱交換器３内の乾燥した残留物ガス流れ８
及び随意的なガス流れ２３により加熱されて加熱ガス流
れ４２となる。加熱ガス流れ４２はヒータ４で更に加熱
されて高温ガス流れ５となる。
【００１５】同時に、再循環水流れ３２と、ポンプ４４
によりポンピングされる補充水流れ３４とが合流されて
加圧水流れ３６となる。加圧水流れ３６は熱交換器１０
内で液体−ガス混合物流れ２８により加熱されて高温水
流れ３７となる。高温水流れ３７はボイラ凝縮器１１内
でパージ流れ、即ち蒸気流れ３８となる。ガラス製造あ
るいは製鋼プロセスから得られるような随意的な低レベ
ルの廃熱流れ４５を、高温水流れ３７の温度を上昇させ
るためのエネルギー源として使用することもできる。廃
熱流れ４５はその熱が無くなると廃棄物流れ４６として
排出される。蒸気流れ３８は次いでスーパーヒータ１２
内で高温に加熱されて過熱蒸気流れ３９を生成する。過
熱蒸気流れ３９はヒータ１３内で更に加熱され、好まし
くは、少なくとも３０psia（絶対値での約２．１kg/c
m2)の圧力を有する蒸気パージ流れ１４となる。
【００１６】高温ガス流れ５を、残留物側７ａ及び透過
物側７ｂを有するイオン搬送膜７を含むイオン搬送モジ
ュール６に導入するに際しては、蒸気パージ流れ１４を
使用してイオン搬送膜７の透過物側７ｂをパージし、残
留物ガス流れ８と、透過物ガス流れ１５とを生成する。
パージガスの圧力によりイオン搬送膜７の透過物側７ｂ
の酸素分圧が低下するので、残留物側７ａを通る送給ガ
スの圧力が低い場合でさえも酸素を効率的に搬送させる
ことができるようになる。蒸気パージ流れ１４が、イオ
ン搬送膜７を透過した酸素と混合され且つ希釈されるこ
とから、イオン搬送モジュール６を出る透過物ガス流れ
１５は蒸気パージ流れ１４のそれと実質的に同圧力の蒸
気及び酸素を含んでいる。次いで、透過物ガス流れ１５
は熱交換により冷却され、スーパーヒータ１２を通して
ガス流れ２２として送られ、ガス流れ２５となるかある
いは、熱交換器３を通して随意的なガス流れ２３として
送られて随意的なガス流れ２４となる。ガス流れ２５及
び或は随意的なガス流れ２４はガス流れ２６となり、次
いでコンプレッサ２０により随意的に加圧されて流体流
れ２７となる。
【００１７】コンプレッサ２０は高温及び高圧下に流体
流れ２７を凝縮させ、高温水流れ３７を沸騰させて蒸気
ガス流れ３８とするための熱を提供させることができ
る。流体流れ２７はボイラ凝縮器１１内のボイラ管１６
を通して送られ、高温水流れ３７を以下に説明するよう
に蒸気に変えた後、液体−ガス混合物流れ２８として排
出される。液体−ガス混合物流れ２８は先に言及したよ
うに熱交換器１０内で加圧水流れ３６に対して更に冷却
され、混合物流れ２９となる。混合物流れ２９は冷却器
−凝縮器１７内で冷却され、残留する水蒸気の殆どが凝
縮されることで酸素と水流れ３０とになる。再循環水流
れ３２が分離器１８内で除去され、先に説明したように
補充水流れ３４と混合され、生成物酸素ガス流れ１９が
残る。生成物酸素ガス流れ１９からは、高分子膜あるい
は吸着システムのような乾燥機５０を使用して残留水蒸
気５２が容易に除去されそれにより、実質的に乾燥乾燥
生成物酸素ガス流れ５４が生成される。
【００１８】生成物酸素ガス流れ１９は、高分子膜乾燥
機、圧力スゥイング吸着（ＰＳＡ）乾燥機及び或は温度
スゥイング吸着（ＴＳＡ）のような従来手段を使用し
て、システムの外側で乾燥させることができる。しかし
ながら、独立形式のプロセスでは、透過物ガス流れ２６
をボイラ管１６に入る直前に加圧するためのコンプレッ
サ２０を組み込むのが望ましい。コンプレッサ２０を組
み込むことにより、透過物ガス流れ２６中の水蒸気の大
半がボイラ−凝縮器１１内で凝縮することから、このボ
イラ−凝縮器１１内で水を沸騰させ、パージ流れ３８を
作り出すための熱が供給されるようになる。これによ
り、パージ−透過物ループの熱効率が大幅に増長され、
パージヒータ１３の負担も減少する。
【００１９】もし低レベルの廃熱流れ４５が得られるの
であれば、コンプレッサ２０を組み込まずに装置を簡素
化するのが好ましい。この場合、“無料の”低レベルの
廃熱流れが、沸騰用エネルギーと、冷却水に排出される
凝縮熱とを提供する。図２は、イオン搬送反応ヒータを
使用するあるプロセス構成での要求熱入力が図１のヒー
タ４によるなどして提供される状況を概略例示するダイ
ヤグラムである。プロセス構成の幾つかのポイントでの
要求熱入力は、直火あるいは電気ヒータ、あるいはイオ
ン搬送反応ヒータを使用して提供される。
【００２０】運転中、元素酸素を含む送給ガス流れ１０
０が反応ヒータモジュール１０６の残留物帯域を通して
送られ、熱交換されることによりガス流れ１１２とな
る。反応ヒータモジュール１０６は、残留物側１１０ａ
及び透過物側１１０ｂを有するイオン搬送膜１１０を含
んでいる。ガス流れ１１２は、残留物側１２０ａ及び透
過物側１２０ｂを有するイオン搬送膜１２０を含むイオ
ン搬送モジュール１１６に流入する。イオン搬送膜１２
０の透過物側１２０ｂは蒸気ガス流れ１２２を使用して
パージされる。この蒸気ガス流れ１２２は、本構成では
ガス流れ１１２に関して向流配列構成とされた外部供給
源から所望の圧力下に入手され、第１の残留物ガス流れ
１１８と、酸素及び蒸気を含む透過物ガス流れ１２４と
なる。
【００２１】第１の残留物ガス流れ１１８は反応ヒータ
モジュール１０６に入り、イオン搬送膜１１０の透過物
側１１０ｂが反応ガス流れ１２６によりパージされ、第
２の残留物ガス流れ１４６と、二酸化炭素及び水蒸気を
含む透過物ガス流れ１３０が生成される。透過物ガス流
れ１３０は冷却器１３６内で冷却されてガス流れ１３８
となる。ガス流れ１３８は分離器１４０に送られ、二酸
化炭素ガス流れ１４２と水流れ１４４とになる。二酸化
炭素ガス流れ１４２は副生成物として回収される。もし
二酸化炭素を回収しないのであれば透過物ガス流れ１３
０は廃棄しても良い。好適な反応ヒータの構成の詳細は
米国特許出願番号第０８/８４８，２０４号に記載され
る。
【００２２】混合−伝導用の固体−酸化物電解質は空気
を酸素及び窒素（及びアルゴン）の生成物に分離するた
めには魅力的なものである。しかしながら、混合−伝導
用の固体−酸化物電解質は特に酸素のための実用的且つ
効率的プロセスのためのものとすることは困難である。
生成物酸素が大気圧下に透過物流れから取り出されるの
であれば、送給物流れの圧力は膜を通して酸素を送る駆
動力を得るために５atm以上としなければならない。酸
素が高圧の流れから除去されるに際して尚、そうした駆
動力を得るために、送給物流れの圧力を更に高める必要
がある。生成物としての高圧の残留物（窒素）ガス流れ
が不要であり、そこからエネルギーを回収しない場合に
は加圧エネルギーの大半は失われ、プロセスは非効率化
し、非実用的である。
【００２３】約９０％から実質的に１００％純度の範囲
内の窒素だけを製造するためには、幾分かの生成物ある
いは酸素減損された別のガス流れ、あるいは、酸素と反
応してイオン搬送膜の透過物側の酸素分圧を低下させる
反応性ガスを使用してイオン搬送膜の透過物側をパージ
することにより、イオン搬送プロセスを増長させること
ができる。しかしながら、こうした手順の何れも、酸素
を生成物として回収する場合には使用することができな
い。問題は、送給ガス流れの作用圧力が比較的低い場合
でさえも、混合−伝導用の固体酸化物電解質膜を使用し
て空気から純酸素を生成するための実用的且つ経済的な
方法を提供することである。
【００２４】固体電解質は従来は、酸素搬送のためのそ
の無限の選択性を利用して、燃料電池、センサ、空気か
ら少量の純酸素を調製するために主に使用されてきてい
る。電気的に駆動される固体電解質膜もまた、残留物ガ
ス流れ中の酸素の活性を低い値に低減させるための十分
な電圧を印加することにより、不活性ガスから微量の酸
素を除去するために使用されている。空気から大量の酸
素を直接製造するために固体電解質が使用されたことは
これまで無かった。
【００２５】従来提案された、酸素製造のための最も実
用的な方法には一体型の発電サイクルが含まれる。この
発電サイクルでは、過圧されガスタービンに送られる送
給空気の酸素の一部分がイオン搬送分離器を使用して取
り出される。この発電サイクル方式の欠点は、電力発生
が含まれ、従って大量の酸素製造のために最も適してい
るということである。従来提案された別のプロセスに
は、イオン搬送膜の透過物側を真空ポンピングして透過
プロセスのための駆動力を維持することが含まれる。こ
の方法の欠点は、純酸素を取り扱うための特別の設備及
び手順が要求され、しかも大型の真空ポンプ設備に係わ
るコストが大きいことである。
【００２６】本発明の方法の重要な長所は、イオン搬送
技法によって、電力の発生を伴わずに酸素を製造するた
めの経済的な方法が提供されると言う点である。これに
より、本方法をずっと広範囲のプラントサイズ（〜１０
０トン/日から〜１０００トン/日）で使用することがで
きるようになり、本技法の限界を大幅に引き延ばすこと
ができる点である。加えて、本法によれば、酸素と窒素
とが共に望まれる場合には極めて魅力的なことには、窒
素を供製造することも可能である。
【００２７】本発明によれば、従来方法とは異なり、純
酸素流れを加圧する必要無しに、所望であれば比較的高
圧の酸素を製造することができる。本発明のイオン搬送
モジュールは少ない差圧で運転され、従って、残留物ガ
ス流れを高圧で利用できるにもかかわらず、加圧エネル
ギーを減少させることができる。更には、本発明の目的
のためには送風ブロワが適していることから、もっと高
価なコンプレッサの必要性が排除される。本発明によれ
ば、高温の純酸素を配管あるいは取り扱う必要が無く、
そうした純酸素によりしばしば引き起こされる深刻な危
険事態が生じなくなる。従って、高温の純酸素を取り扱
うための特別の材料や手順に対する必要性が回避され、
かくして従来からの代表的な方法よりも遙かに高い安全
性が実現される。
【００２８】本発明の方法は、酸素、窒素、あるいはそ
れら両方の生成物ガス流れを低圧あるいは高圧下に製造
するための広範な条件下に実施することが可能である。
本発明の方法は部分的に低レベルの熱で駆動されること
から、熱発生のために生成物酸素を使用するプロセスを
含むその他の発熱プロセスと一体化することができる。
高圧条件で実施する場合、本発明を、高圧の生成物（例
えば窒素）あるいは廃棄物流れから動力を発生させるた
めのガスタービンその他の装置と一体化させることがで
きる。
【００２９】イオン搬送モジュールの代表的な運転パラ
メータ範囲は以下の如くである。・温度：代表的には４
００℃乃至１０００℃の範囲であり、好ましくは６００
℃乃至９００℃の範囲内。 ・圧力：パージ側の圧力は代表的には１乃至１０atmで
あり、送給物側の圧力は代表的には１乃至３０atm、好
ましくは１．２５乃至２０atmである。 ・パージ比（パージ流量に対する送給物流れの比）：代
表的には０．０５乃至５であり、好ましくは０．２乃至
３である。 ・イオン搬送膜の酸素イオン伝導性：代表的には０．０
１ないし１００Ｓ/cmの範囲である（１/Ｓ＝１/オー
ム）。 ・イオン搬送膜の厚さ：イオン搬送膜は、多孔質基材上
に支持された、稠密フィルムあるいは薄肉フィルムの形
態のものを使用することができる。イオン搬送膜/相の
肉厚（ｔ）は代表的には５０００ミクロン未満、好まし
くは１０００ミクロン未満、最も好ましくは１００ミク
ロンである。 ・形状：イオン搬送膜要素は代表的には管状あるいは平
面状である。表第１には、酸素分離のために好適なイオ
ン搬送材料例が列挙される。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】例 以下の例には本発明の特徴の幾つかが例示される。２０
０，０００SCFH（標準での約５６００ｍ3）の想定酸素
製造量のための計算を実施した。本例で使用した方法
は、随意的な側方流れが出現しなかった点を除き、図１
に示した方法と同じであった。本例でのイオン搬送膜の
仕様は以下の通りであった。 有効膜厚 ２０μｍ 酸素イオン伝導性 ０．５Ｓ/cm 運転温度（等温） ８００℃ 基材孔隙率 ４０％ コンピュータ使用モデルを使用して図１に示すプロセス
の運転条件と、要求膜面積と、プロセス駆動のために必
要な電力及び熱エネルギーを決定した。
【００３４】例１ 低圧の酸素を２００，０００SCFH（標準状態での約５６
６．３ｍ3）製造した。計算結果は以下のように各表に
示される。運転条件を第２表-Aに、計算システムの必要
条件を第２表-Bに示す。本例１では、送給ガス流れ圧力
は低く（２０psia（絶対値での約１．４kg/cm2)）、従
って送給物ブロワのエネルギーも大きくない。送給ガス
流れ中の酸素分のみが生成物として回収されたが、この
回収は、廃棄された加圧エネルギーが非常に大きなもの
ではなかったために、全プロセスの効率上はそれほど臨
界的なものではなかった。本例１の運転条件を最適化す
る何らの試みも行われず、基本プロセスを例示すること
のみが意図された。パージガス流れが低圧（１５psia
（絶対値での約１．０５kg/cm2））であることから、安
価な低圧ボイラ凝縮器を使用することができる点を銘記
されたい。更に、透過物流れブロワを使用して透過物ガ
ス流れの圧力を２０psia（絶対値での約１．４kg/cm2)
に上昇させたことで、沸騰水に対して蒸気の一部分を凝
縮させることができた。再循環水の圧力は、補充水流れ
と混合する以前に２０psia（絶対値での約１．４kg/c
m2)から１５psia（絶対値で１．０５kg/cm2)に低下し
た。例１のための加圧エネルギーは送給ガス流れブロワ
と、透過物流れブロワとの間でほぼ等分されたと考えら
れる。外部供給源から低レベルの熱を入手することがで
きるのであれば、透過物流れブロワを省略し、例１のた
めの加圧エネルギー条件を４７％減少させることが可能
である。
【００３５】
【表４】
【００３６】
【表５】
【００３７】例２ 中圧力の酸素を２００，０００SCFH（標準状態での約５
６００ｍ3）製造し、且つ高圧の９８％の純窒素を８２
０,０００SCFH（標準状態での約２２９６０ｍ3）製造し
た。本例２では、酸素生成物と窒素生成物とを共に製造
した。運転条件を第３表-Aに、計算システム条件を第３
表-Bに示した。本例２では、２つの生成物が高圧で送ら
れることから、エネルギー条件は例１の場合よりも大き
く、熱的条件は小さかった。しかしながら、透過物ブロ
ワのエネルギーは、コンプレッサを横断する圧力比が例
１の場合におけるよりも実質的に小さかったことから比
較的小さかった。熱的な一体性が、加圧エネルギーを１
３％低減させたのみならず透過物ブロワの必要性も排除
した。例１のように、運転条件を最適化するための何の
試みも行わなかった。
【００３８】本例２では、透過物流れコンプレッサ２０
を使用して透過物流れ２６の圧力を５５psia（絶対値で
の約３．８６kg/cm2）に上昇させた。これにより、沸騰
水に対して蒸気の一部分を凝縮させることが可能となっ
た。生成物酸素である生成物酸素ガス流れ１９は５５ps
ia（絶対値での約３．８６kg/cm2）の圧力下に回収され
た。再循環水流れ３２の圧力は、補充水流れ３４と混合
される以前に、５５psia（絶対値での約３．８６kg/c
m2）から４５psia（絶対値での約３．１６kg/cm2）に減
少した。
【００３９】本例２の、表に記載された運転条件は、プ
ロセスの立ち上げ時に優勢な安定状態に相当するもので
ある。イオン搬送膜７に液体水が接触するのはおそらく
望ましくないので、実際のプロセスではプロセス立ち上
げのために何らかの考察がなされるべきである。イオン
搬送モジュール６を始動時加熱する間、その間入手する
ことができない蒸気に代えて、残留物ガス流れ８の幾分
かをパージガス流れとして使用することができる。パー
ジヒータ１３の出力をそらして透過物ガス流れ１５及び
スーパーヒータ１２に直接送るようにすることで、パー
ジ−透過物ループを閉じることができる。蒸気の圧力及
び温度が適正な運転レベルに達した後は、各流れを図１
の流れに相当する方向に切り替えることができる。ヒー
タ４及びパージヒータ１３を停止させた状態でこのシー
ケンスを逆転させることで冷却効果を得ることができ
る。
【００４０】
【表６】
【００４１】
【表７】
【００４２】例２の構成では、イオン搬送モジュールで
の分離のために蒸気が存在することが重要であることを
銘記されたい。その後、蒸気は単に凝縮することにより
酸素から容易に分離される。都合上、ここでは分離の容
易なパージガスとして蒸気が説明される。こうした事柄
は、酸素から蒸気を容易に（例えば凝縮によって）分離
することのできるその他の蒸気ベースのサイクルに対し
ても適用することができる。
【００４３】先に言及したように、イオン搬送モジュー
ルのパージ側を真空ポンピングするのは、蒸気パージの
使用に対する代替策である。しかしながらこの代替策で
は真空ポンピングのための特別の設備が必要となり、危
険性のある高温のパージ酸素を真空ポンピングするよう
な場合には特にそうした設備が必要となることから望ま
しくない。仮に真空ポンプ以前に冷却器を配置した場合
でさえも、この冷却器を通しての圧力降下はパージ側を
真空ポンピングするための主要な妨害要因となり得る。
【００４４】本システムでは、例１及び例２で選択した
送給圧力及びパージ圧力に対し、蒸気パージを使用する
までは所定の分離は起こらない。もし、イオン搬送膜の
パージ側で純酸素を取り出すと、イオン搬送モジュール
は“狭く(pinched)”なり、必要な酸素搬送が行われな
くなる。例えば、もし純酸素を１５psia（絶対値での約
１．１kg/cm2）の圧力下に取り出すと、送給側での最小
圧力は約７５psia（絶対値での約５．３kg/cm2）とな
り、もし純酸素を４５psia（絶対値での約３．２kg/c
m2）の圧力下に取り出すと、送給側での最小圧力は約２
２５psia（絶対値での約１５．８kg/cm2）となる。実用
用途のためには送給圧力はもっと高くするべきである。
こうした状況は、送給物流れを加圧する際に消費された
エネルギーの殆どが窒素リッチな廃棄物流れの中に失わ
れてしまうことから、特に、窒素が生成物ではない場合
には明らかに望ましくない。
【００４５】圧力駆動されるイオン搬送モジュールはそ
の簡潔な設計形状故に好ましいものではあるが、本発明
は、酸素イオン搬送膜を使用する電気駆動式あるいは圧
力駆動式の酸素分離モジュールの何れかを使用するシス
テムに対して適用性がある。更に、本発明の方法は、低
レベルの熱を発生させることによりエネルギー必要量を
低減させるその他の方法と一体化させることができる。
もし外部供給源から低レベルの廃熱流れを入手すること
ができるのであれば、その廃熱を使用して本発明の資本
コスト及び運転コストを共に低減させることが可能であ
る。この廃熱はボイラ凝縮器１１に導入され、蒸気形成
のための全エネルギーあるいは部分エネルギーを供給す
る。これによりブロワ２及びその関連コストは排除され
る。
【００４６】図１に示されるように、透過物流れの一部
分を熱交換器３を通して送ることにより、送給物流れ及
び廃棄物流れ間の不均衡な質量流れを補償することがで
きる。こうした改変により、熱交換器の効率が増大する
と共に、ヒータ４でのエネルギー要求量が減少する。説
明したような、本発明での生成物は代表的には、副生成
物としての窒素を伴うあるいは伴わない低圧酸素であ
る。高圧の酸素を生成することも可能である。必要とな
るのは、ボイラの蒸気圧を増大させることにより高圧で
パージ−透過物ループを運転することである。液体水が
凝縮によって分離されると生成物酸素流れもまた高圧と
なる。こうして、所望の無理のない圧力レベルの生成物
酸素を入手することができる。
【００４７】上述の各例から、本発明の進歩性を広範な
運転条件に対して適用できることが明らかである。生成
物ガス流れの一方あるいは両方を低圧あるいは高圧で生
成することができる。運転変数、例えばパージ圧力及び
流量は、変動する生成物需要を収受するべく変化させる
ことができる。そうした変化を素早く実施することが可
能であり、従って生成物需要をダイナミックに追跡する
ことができるようになる。
【００４８】もし、高純度（９９％以上、好ましくは９
９．９％以上）の窒素が生成される場合、１つのイオン
搬送モジュールステージを使用して分離を実施するのは
実用的ではなく、後純化(postpurification)を用いる必
要がある。例えば、イオン搬送ステージで酸素及び低純
度窒素が生成され、イオン搬送モジュールステージから
の窒素リッチな残留物を後純化装置を使用して浄化す
る。後純化装置は既存の技法、つまり高分子膜、吸着シ
ステム（例えば、ＰＳＡあるいはＴＳＡ)、伝統的なデ
オキソ（deoxo）システム（例えば、H2ベースのデオキ
ソを使用するもの）、あるいは更に別の、つまり第２の
イオン搬送モジュールステージ、の任意の幾つかのもの
に基づくものであり得る。
【００４９】後純化のために第２のイオン搬送モジュー
ルステージを使用するのであれば、米国特許出願番号第
０８/５６７，６９９号（欧州特許発行第７７８０６９
号に相当）に記載されるように、反応性パージガスとし
て例えばメタンを使用してイオン搬送膜の透過物側をパ
ージすることにより、酸素搬送を助長させると共に、イ
オン搬送膜面積を非反応性のパージガスを使用した場合
におけるよりもずっと小さくすることができる。反応性
パージガスは、イオン搬送モジュールステージでの運転
温度を高温に維持するために必要な熱入力の全てあるい
は一部をも提供し、また更に、図２に示すような送給物
流れに対する熱も提供する。それほど望ましくはない
が、米国特許出願番号第０８/８１１，６７１号に記載
されるように、第２のイオン搬送モジュールステージで
生成物パージを実施し、高純度の窒素残留物ガス流れを
再循環させ、イオン搬送モジュールのアノード側を掃除
させることも可能である。前記米国特許出願番号第０８
/８１１，６７１号は米国特許出願番号第０８/４４４，
３５４号の部分継続出願であり、欧州特許発行第７４
３，０８８号に相当するものである。生成物パージシス
テムにおけるイオン搬送膜面積の必要量は、反応性パー
ジガスを使用するシステムにおけるそれよりも遙かに大
きい。
【００５０】ここで、“元素酸素”とは、周期表内のそ
の他の元素と結合されない任意の酸素を意味する。代表
的には２価の形態であるが、元素酸素には、単一の酸素
原子と、３価のオゾンと、その他の元素とは未結合のそ
の他の形態のものが含まれる。以上、本発明を実施例を
参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得
ることを理解されたい。
【００５１】
【発明の効果】イオン搬送分離器モジュールのイオン搬
送膜の透過物側、即ちアノード側のために蒸気パージ流
れを使用することにより、高圧の送給ガス流れを必要と
せずに酸素が有効に回収され、また、イオン搬送膜の残
留物側に随意的に窒素が生成されるようになる。高圧の
蒸気パージ流れを提供し、その結果生じた高圧の透過物
ガス流れから水分を凝縮及び排出させることにより、酸
素コンプレッサを必要とすることなく高圧の酸素が回収
されるようになる。低レベルの廃熱流れをエネルギー源
として使用することにより、蒸気パージ流れの温度を上
昇させることができるようになる。廃熱を利用すること
ができない場合に、圧力を上昇させることで透過物ガス
流れの凝縮温度を沸騰パージ流れの温度よりやや高くす
ることにより、透過物ガス流れ中の水の凝縮熱をエネル
ギー源として使用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う、イオン搬送膜の透過物側での蒸
気パージガスの発生及びその使用を概略例示するダイヤ
グラムである。
【図２】イオン搬送反応ヒータを使用して提供される、
本方法に必要な熱入力を示す概略ダイヤグラムである。
【符号の説明】
１ 送給ガス流れ ２ ブロワ ３ 熱交換器 ４ ヒータ ５ 高温ガス流れ ６ イオン搬送モジュール ７ イオン搬送膜 ８ 残留物ガス流れ １０ 熱交換器 １１ ボイラ凝縮器 １２ スーパーヒータ １３ パージヒータ １４ 蒸気パージ流れ １５ 透過物ガス流れ １６ ボイラ管 １７ 冷却器−凝縮器 １８ 分離器 １９ 生成物酸素ガス流れ ２０ コンプレッサ ２２、２５、２６ ガス流れ ２３、２４ 随意的なガス流れ ２７ 流体流れ ２８ 液体−ガス混合流れ ２９ 混合物流れ ３０ 水流れ ３２ 再循環水流れ ３４ 補充水流れ ３６ 加圧水流れ ３７ 高温水流れ ３８ パージ流れ ３９ 過熱蒸気流れ ４１ 加圧ガス流れ ４２ 加熱ガス流れ ４４ ポンプ ４５ 低レベルの廃熱流れ ４６ 廃棄物流れ ５０ 乾燥機 ５２ 残留水蒸気 ５４ 生成物酸素ガス流れ １００ 送給ガス流れ １０６ 反応ヒータモジュール １１０、１２０ イオン搬送膜 １１２ ガス流れ １１６ イオン搬送モジュール １１８ 第１の残留物ガス流れ １２２ 蒸気ガス流れ １２４ 透過物ガス流れ １２６ 反応ガス流れ １３０ 透過物ガス流れ １３６ 冷却器 １３８ ガス流れ １４０ 分離器 １４２ 二酸化炭素ガス流れ １４４ 水流れ １４６ 第２の残留物ガス流れ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 元素酸素及び窒素を含む送給ガス流れか
    ら生成物窒素ガス流れと、酸素及び蒸気を含む加圧ガス
    流れとを生成するための方法であって、 （ａ）送給ガス流れを加圧すること、 （ｂ）加圧した送給ガス流れを加熱すること、 （ｃ）該加熱した送給ガス流れを、透過物側及び残留物
    側を有するイオン搬送膜を含むイオン搬送モジュールを
    使用して、残留物側における生成物窒素ガス流れと、透
    過物側における酸素含有ガス流れとに分離し、該分離
    が、イオン搬送膜の透過物側を蒸気を含むガス流れを使
    用してパージすることにより酸素及び蒸気を含む加圧ガ
    ス流れを生成することを含むようにすること、 （ｄ）酸素及び蒸気を含む加圧ガス流れを、水蒸気飽和
    され加圧された生成物酸素ガス流れと、残留物水流れと
    に分離すること、 を含む、元素酸素及び窒素を含む送給ガス流れから生成
    物窒素ガス流れと、酸素及び蒸気を含む加圧ガス流れと
    を生成するための方法。
  2. 【請求項２】 残留物水流れへの分離が、酸素及び蒸気
    を含むガス流れ中に含まれる水蒸気の少なくとも一部分
    を、該酸素及び蒸気を含むガス流れを別の流体流れと熱
    交換させる間に凝縮させることを含んでいる請求項１の
    方法。
  3. 【請求項３】 酸素及び蒸気を含む加圧ガス流れが、イ
    オン搬送膜の透過物側をパージするために使用する蒸気
    を含むガス流れとなる水流れあるいは水蒸気流れと熱交
    換される請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 酸素及び蒸気を含むガス流れが、その露
    点に冷却され加圧された後に、該酸素及び蒸気を含むガ
    ス流れ中に含まれる水蒸気の少なくとも一部分が凝縮さ
    れる以前に加圧され、また、前記酸素及び蒸気を含むガ
    ス流れが、蒸気を含むガス流れとなる水流れあるいは水
    蒸気流れと熱交換される請求項２の方法。
  5. 【請求項５】 イオン搬送膜の透過物側をパージするた
    めに使用されるところの蒸気を含むガス流れが、約３０
    乃至約５００psia（絶対値での約２．１kg/cm2乃至約３
    ５．１kg/cm2)の圧力を有している請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 高分子膜乾燥システム、温度スゥイング
    吸着乾燥システム、あるいは圧力スゥイング吸着乾燥シ
    ステムを使用して、水蒸気飽和された生成物酸素ガス流
    れから生成物酸素ガス流れが分離される請求項１の方
    法。
  7. 【請求項７】 元素酸素を含む送給ガス流れから、少な
    くとも、蒸気を含む加圧酸素ガス流れを生成するための
    方法であって、 （ａ）送給ガス流れを加圧すること、 （ｂ）イオン搬送反応ヒータを使用して送給ガス流れを
    加熱すること、 （ｃ）透過物側及び残留物側を有するイオン搬送膜を含
    むイオン搬送モジュールを使用して、加熱した送給ガス
    流れを、残留物側における酸素減損ガス流れと、透過物
    側における酸素ガス流れとに分離し、該分離が、蒸気を
    含み少なくとも３０psia（絶対値での約２．１kg/cm2)
    の圧力を有するガス流れを使用してイオン搬送膜の透過
    物側をパージすることにより加圧酸素ガス流れを生成す
    ることを含むようにすること、 （ｄ）加圧酸素ガス流れを、高圧の、水蒸気飽和された
    生成物酸素ガス流れと、残留物水流れとに分離するこ
    と、 を含む、元素酸素を含む送給ガス流れから、少なくと
    も、蒸気を含む加圧酸素ガス流れを生成するための方
    法。
  8. 【請求項８】 残留物側における酸素減損ガス流れが、
    副生成物窒素ガス流れとして回収される請求項７の方
    法。
  9. 【請求項９】 低レベルの廃熱流れを水流れあるいは水
    蒸気流れと熱交換させることにより蒸気を含むガス流れ
    が発生され、該蒸気を含むガス流れがイオン搬送膜の透
    過物側をパージするために使用される請求項７の方法。
  10. 【請求項１０】 元素酸素を含む送給ガス流れから酸素
    及び蒸気を含む加圧ガス流れを生成するための方法であ
    って、 （ａ）送給ガス流れを加圧すること、 （ｂ）加圧した送給ガス流れを加熱すること、 （ｃ）外部プロセスからの熱エネルギーを使用して水流
    れを加熱し、蒸気を含むガス流れを発生させること、 （ｄ）透過物側及び残留物側を有するイオン搬送膜を含
    むイオン搬送モジュールを使用して、前記加熱した送給
    ガス流れを、残留物側における酸素減損ガス流れと、透
    過物における酸素含有ガス流れとに分離し、該分離が、
    蒸気を含むガス流れを使用してイオン搬送膜の透過物側
    をパージすることを含むようにすること、 （ｅ）酸素及び蒸気を含む加圧ガス流れを、水蒸気飽和
    された加圧生成物酸素ガス流れと、残留物水流れとに分
    離すること、 を含む、元素酸素を含む送給ガス流れから酸素及び蒸気
    を含む加圧ガス流れを生成するための方法。
  11. 【請求項１１】 加圧生成物酸素ガス流れを外部プロセ
    スに送り、該外部プロセスで使用することを更に含む請
    求項１０の方法。
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