MXPA98003327A - Sistema de electrolito solido para producir oxigeno de pureza controlada - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere:Un proceso para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas en una corriente producto de gas oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno, dicho proceso comprendiendo remover el oxígeno de una corriente de gas e alimentación usando un módulo de transporte de iones que contiene una membrana de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas oxígeno ultra-puro que sale de la membrana en el lado permeado y una corriente de gas retenido y mezclar la corriente de gas oxígeno ultra-puro con una corriente de gas aditivo para producir una corriente producto de gas oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno.

Description

SISTEMAS DE ELECTROLITO SOLIDO PARA PRODUCIR OXIGENO DE PUREZA CONTROLADA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un aparato y proceso para separar oxígeno de una corriente de alimentación de gases mezclados para producir oxígeno de una pureza deseada y, más particularmente, a un aparato y proceso que utilizan una membrana de transporte de iones de electrolito sdlido para separar oxígeno del aire para producir oxígeno que tiene una pureza seleccionada. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los conductores iónicos de electrolito sólido o iónico-electrónico mezclados que pueden transportar rápidamente iones oxígeno tienen un potencial significativo para uso en separación de aire. Las membranas hechas de tales materiales transportan solamente iones oxígeno y, por lo tanto, tienen una selectividad infinita para la penetración de oxígeno con relación a todas las otras especies. Esta propiedad es de particular ventaja en la producción de oxígeno, puesto que el producto oxígeno puro inherentemente. A la inversa, los materiales de transporte de iones de electrolito sólido pueden ser usados también para eliminar oxígeno de una corriente de aire para producir un producto de "nitrógeno" libre de oxígeno. El aire es una mezcla de gases que puede contener cantidades variantes de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20.9%) , nitrógeno (78%) , argón (0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Cuando se usa un proceso de transporte de iones de electrolito sólido básico con aire como el gas de alimentación, las impurezas menores enla corriente de aire de alimentación (por ejemplo, argón, dióxido de carbono, agua y trazas de 5 hidrocarburos) son retenidas en el retenido de "nitrógeno". Por lo tanto, los conductores iónicos de electrolito sólido que transportan solamente iones oxígeno parecen ser atractivos para la separación de oxígeno de mezclas de gases tales como aire. Estos materiales, que pueden ser conductores puramente o conductores mezclados capaces de transportar iones oxígeno y electrones, son particularmente atractivos debido a su selectividad infinita por oxígeno sobre todos los otros gases. Una consecuencia de esto es que el oxígeno producido por el separador de transporte de iones de electrolito sólido es de ultra-alta pureza (ÜAP). El oxígeno de ultra-alta pureza,sin embargo, es altamente reactivo, especialmente a pres.iones y temperaturas elevadas. Así, el manejo de oxígeno de ultra-alta pureza para transporte (por ejemplo, con tuberías), transferencia de calor, etc., tiende a ser caro y requiere con frecuencia el uso de materiales especiales. Además, la mayoría de las aplicaciones comunes del oxígeno requieren purezas de 90-99% solamente y pocas veces hay algún beneficio al incrementar la pureza a niveles de UAP y enfrentarse a las dificultades mayores de manejar oxígeno UAP. En los procesos no-criogénicos de separación de aire tradicionales, "*a concentración del oxígeno se mantiene baja y es purificada en incrementos y no hay necesidad ni de producir o diluir oxígeno UAP. En contraste, el oxígeno producido por destilación criogénica puede ser muy puro (aproximadamente 99.5% puro) y son empleados típicamente materiales y procedimientos especiales debido a la elevada reactividad del oxígeno UAP. los materiales que pueden ser usados con seguridad en procesos criogénicos dependen, por lo tanto, de las concentraciones de oxígeno encontradas. A 5 medida que la concentración de oxígeno se vuelve más alta, hay solamente algunos materiales que son seguros para usarse. Los requerimientos pueden ser aun más severos en procesos de transporte de iones de electrolito MB sólido que producen oxígeno UAP y que deben operar necesariamente a alta temperatura que usualmente incrementa la relación de reacción del oxígeno con los materiales con los que se permite su contacto. Se han hecho estudios extensivos por productores de oxígeno mediante destilación criogénica para determinar cuáles materiales son adecuados para uso con líquidos o gases que contienen altas concentraciones de oxígeno. Estos estudios, que son relevantes para el oxígeno de ultra- 15 - alta pureza producido mediante procesos de transporte de iones de electrolito sólido, muestran una dependencia muy fuerte de reactividad sobre la concentración de oxígeno y la presión. A medida que aumenta la concentración de oxígeno o la presión, los materiales son más propensos a ser oxidados y quemados (es decir, oxidados rápidamente) y hay pocos 20 materiales que pueden ser usados seguramente en tal aplicación. Por ejemplo, la Fig. 3 es una gráfica que muestra el comportamiento de ignición-combustión a temperatura ambiente de la aleación Haynes No. 25, una aleación con base cobalto con alta resistencia a la corrosión, a concentraciones de oxígeno de 80%, 90% y 99.7%. Se puede ver déla gráfica que el quemado de la muestra de aleación Haynes No. 25 es promovido dramáticamente por concentraciones mayores de oxígeno. La Fig. 4 es una gráfica que muestra los datos de inflamabilidad a temperatura ambiente para una varilla con diámetro de 3.175 mm (0.125 in) de una aleación Hastelloy1^ C-22™ una aleación de níquel-cromo-molibdeno de alta 5 resistencia a la corrosión, en donde la combustión ocurre solamente a presión elevada y alta concentración de oxígeno. Desafortunadamente, a pesar de la información que puede ser extraída de estas pruebas, hay pocos ensayos que han sido hechos en el rango de temperatura en donde se usan * los dispositivos de transporte de iones de electrolito sólido, que está 10 generalmente por arriba de los 600° C. Es posible que tales temperaturas ncrementadas hagan el problema de reactividad aun más severo. Es evidente, sin embargo, que disminuyendo la concentración de oxígeno desde oxígeno puro hasta un valor menor disminuya la suceptibilidad de los materiales en contacto con el oxígeno a la oxidación o la combustión. 15 Hay ahora dos tipos de membranas de transporte de iones de * electrolito sólido bajo desarrollo: conductores iónicos que conducen iones solamente a través de la membrana y conductores mezclados que conducen iones y electrones a través de la membrana. Una membrana de transporte de iones que exhibe tales características de conducción mezclada puede 20 transportar oxígeno cuando es someti.da a una presión parcial diferencial de oxígeno a través de la membrana sin la necesidad de un campo eléctrico aplicado o electrodos externos los cuales serían necesarios con los conductores iónicos. Coo se usan en la presente, los términos "conductor iónico de electrolito sólido", sistema de transporte de iones de 25 electrolito sólido", o simplemente "electrolito sólido" o "membrana de transporte de iones" son usados para designar ya sea un sistema que usa un sistema de tipo iónico o un sistata tipo conductor mezclado a menos que se especifique lo contrario.' La tecnología de transporte de iones de electrolito sólido está 5 descrita con más detalle en la Patente de E.U. de Prasad et al., No. 5,547,494, titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual es incorporada en la presente por referencia para describir más completamente é el estado del arte. En la ausencia de una corriente de purga, la corriente "permeada" 10 que aleja al oxígeno de la membrana de transporte de iones es oxígeno "puro" . Para membranas de conducción mezclada ambas corrientes la de alimentación y la retenida deben estar a presión elevada (o la corriente "permeada" a una presión muy baja) para crear una fuerza impulsora para el transporte de oxígeno. Mientras tal membrana no purgada es atractiva para 15 la eliminación de cantidades más grandes de oxígeno de las corrientes de gas inerte, la recuperación de oxígeno está limitada por presiones que pueden ser aplicadas. T-os inventores no tienen conocimiento de cualquier arte anterior que describa la dilución de oxígeno producido por un proceso de transporte 20 de iones de electrolito sólido. Las siguientes referencias conciernen a la resistencia de oxidación de los materiales como una función de la presión y la concentración de oxígeno: R. Za ierucha, K. Mcllroy, y J.F. Million, "Flamabilidad de Aleaciones Seleccionadas Resistentes al Calor en Mezclas de Gas Oxígeno", Procedentes de la 2a. Conferencia 25 Internacional Sobre Materiales Resistentes al Calor, Gatlinburg, Tennessee, Septiembre 1995, pp.97-103; y R. Zawierucha, R.F. Drnevich, D.E. White yK. Mcllroy, "Consideraciones de Materiales y Sistemas para Aplicaciones que Involucran Atmósferas Enriquecidas en Oxígeno", presentada en la Reunión Anual de Invierno de la ASME, Nueva Orleans, Louisiana, Diciembre de 1993. 5 Chen et al.. Patente de E.U. No. Re. 34,595 (re-expedición de la Patente de E.U.,No. 5,035,726 ), titulada "Proceso para Eliminar Oxígeno y Nitrógeno de Argón Crudo", se refiere al uso de membranas de electrolito sólido impulsadas eléctricamente para la eliminación de bajos niveles de oxígeno de corrientes de gas de argón crudo. Chen et al., estiman la energía eléctrica necesaria para varios ejemplos de procesos multi-etapas y también mencionan la posibilidad de usar membranas de conductor mezclado operadas medi.ante el mantenimiento de una presión de oxígeno en el lado de la alimentación. Chen et al., enseñan además que el oxígeno que sale del lado permeado de una membrana iónica impulsada eléctricamente puede .15 ser eliminado ya sea como una corriente de oxígeno puro o mezclado con un gas de "barrido" adecuado tal como nitrógeno. Mazanec et al., Patente de E.U. , No.5, 160,713 titulada "Proceso para Separar Oxígeno de un Gas que Contiene Oxígeno Mediante el Uso de una Membrana Bi-Conteniendo Óxidos de Metal Mezclados", se refiere a unos procesos de separación de oxígeno que emplean una membrana de óxidos metálicos mezclados conteniendo bismuto que generalmente preveé que el oxígeno separado pueda ser recolectado para su recuperación o hecho reaccionar con una substancia consumidora de oxígeno. El retenido agotado en oxígeno es desechado aparentemente. 25 Mazanec et al., Patente de E.U. No. 5,306,411, titulada "Membranas de Multi-Componentes Sólidos, Componentes de Reactor Electroquímico, Reactores Electroquímicos y Uso de Membranas, Componentes de Reactor y Reactor para Reacciones de Oxidación", se refiere a un número de usos de una membrana de electrolito sólido en un reactor electroquímico. Se menciona que los óxidos nitrosos y óxidos de azufre en los gases de salida o de escape pueden ser convertidos en gas nitrógeno y azufre elemental, respectivamente, y que un gas reactivo tal como un gas de hidrocarburo ligero puede ser mezclado con un gas inerte diluyente que no interfiere con la reacción deseada, aunque la razón para proveer tal mezcla no está establecida. Ninguna de las patentes de Mazanec et al-, citadas describen procesos para producir un producto purificado a partir de una corriente de gas que contiene oxígeno. OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención proveer un proceso eficiente de purificación de un gas que contiene oxígeno usando una membrana de transporte de iones de electrolito sólido para hacer oxígeno de alta pureza, y diluir tal oxígeno de ultra-alta pureza mediante adición controlada del gas retenido de la membrana de transporte de iones de electrolito sólido o un gas reactivo con el oxígeno de ultra-alta pureza o un diluyente de otra fuente. Otro objetivo de esta invención es proveer un medio simple y práctico para diluir ligeramente el oxígeno de ultra-alta pureza producido mediante procesos de transporte de iones de manera que el oxígeno producto pueda ser manejado con seguridad y más convenientemente. Es un objetivo más de la invención aumentar preferiblemente la la eficiencia de los procesos usando tales gases agregados para purgar el lado perneado de la membrana de transporte de iones de electrolito sólido. RESUMEN DE LA INVENCIÓN T invención comprende un proceso para separar una corrientede gas 5 de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas, en una corriente de gas de producto oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno. El proceso comprende remover el oxígeno de una corriente de gas de alimentación usando un módulo de transporte de iones * que contiene una membrana de transporte de iones que tiene un lado de 10 retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas de oxígeno ultra-puro que sale de la membrana al lado permeado y una corriente de gas retenido, y mezclar la corriente de gas de oxígeno ultra puro con una corriente de gas aditivo para producir una corriente de gas de producto oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno.

En una modalidad preferida de la invención, -la corriente de gas de alimentación es aire. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de producto oxígeno diluido tiene una concentración seleccionada de 80% a 99.9% de oxígeno en volumen. En aun otra modalidad preferida de la invención, el mezclado ocurre en uno o más puntos entre 20 el punto en el cual el oxígeno penetra a través de la membrana de transporte de iones y el punto en el cual la corriente de gas de producto oxígeno es usada. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas aditivo para mezclar comprende por lo menos una porción de la corriente de gas retenido. En otras modalidades preferidas de la 25 invención, la corriente de gas aditivo para mezclar es provista a través de uno o más conductos, un material poroso o una membrana que es permeable selectivamente a por lo menos una porción de la corriente de gas retenido, para permitir que por lo menos una porción de la corriente de gas retenido se mezcle con la corriente de gas de oxígeno ultra-puro al momento, o después que sale la corriente de gas de oxígeno ultra-puro. En algunos casos el material poroso está en contacto con la membrana de transporte de iones o es dispersada en la membrana de transporte de iones. En modalidades preferidas adicionales de la invención, la corriente de gas aditivo para mezclar es provista a través de sellos imperfectos en por lo menos un extremo de la membrana de transporte de iones y pueden permitir que la corriente de gas aditivo para mezclar abarque por lo menos una porción de la corriente de gas retenido. En aun otras modalidades de la invención, la corriente de gas aditivo para mezclar comprende por lo menos una porción de la corriente de gas de alimentación, una corriente de gas inerte o una corriente de gas nitrógeno. En otras modalidades de la invención, la corriente de gas aditivo para mezclar es una corriente de gas reactivo que reacciona con la corriente de gas de oxígeno ultra-puro para producir una corriente de gas de producto oxígeno diluido que tiene una concentración seleccionada de oxígeno lo cual puede hacerse de manera que purge el lado permeado de la membrana de transporte de iones y mejore la eficiencia del electrolito sólido. En una modalidad de la invención, el proceso comprende además transferir calor de la corriente de gas permeada de oxígeno diluido y de corriente de gas retenido a la corriente de gas de alimentación para producir una corriente de gas de alimentación tibia y calentar la corriente de gas de alimentación tibia para producir la corriente de gas de alimentación caliente. En otra modalidad de la invención, el proceso comprende adicionalmente comprimir el gas de alimentación para producir una corriente de gas de alimentación comprimida. BREVE DESCttlPCION DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se les ocurrirá a aquellos expertos en el arte de la siguiente descripción de modalidades preferidas y de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático que ilustra un ejemplo de un sistema de acuerdo a la invención usando un módulo separador de transporte de iones de electrolito sólido que tiene aire calentado fluyendo a lo 3 argo de un lado de la membrana de transporte de iones de electrolito sólido permitiendo la penetración de oxígeno al otro lado de la membrana, el oxígeno siendo diluido mediante por lo menos un diluyente de reflujo, un diluyente interno y un diluyente externo; La Fig. 2 es un diagrama esquemático que ilustra un ejemplo de un aparato que emplea una membrana separadora de transporte de iones de electrolito sólido para separar gas oxígeno de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno y un orificio medidor para diluir substancialmente la corriente de gas oxígeno con la corriente de gas retenido agotado en oxígeno; La Fig. 2B es un diagrama esquemático que ilustra un ejemplo de un aparato que emplea una membrana separadora de transporte de iones de electrolito sólido para separar gas oxígeno de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno con una purga de corriente de gas retenido agotado en oxígeno; La Fig. 3 es un diagrama que ilustra el comportamiento ignición-combustión de la aleación de Haynes No. 25 a varias concentraciones de oxígeno y presión; y la Fig. 4 es un diagrama que ilustra el comportamiento de ignición-combustión de la aleación HASTELLOY^ C-22MR a varias concentraciones de oxígeno y presiones. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere, por lo tanto, a la producción y dilución de oxígeno UAP para seguridad y facilidad de manejo a temperaturas elevadas, más particularmente, aquellas encontradas típicamente durante la operación de dispositivos de transporte de iones de electrolito sólido. Tal dilución o mezclado puede ocurrir en el lado permeado de la membrana de transporte de iones, el extremo próximo de la membrana de transporte de iones (cerca de la entrada de la corriente de gas de alimentación al módulo de transporte de iones) o cerca del extremo distal déla membrana de transporte de iones, afuera del módulo de transporte de iones, o en cualquier punto entre el punto en el cual el oxígeno penetra a través de la membrana de transporte de iones y el punto en el cual la corriente de gas de producto oxígeno es usada. Deberá notarse que las dificultades de manejo de oxígeno UAP a temperaturas elevadas son mejoradas diluyendo inmediatamente el oxígeno UAP producido inherentemente por el proceso de transporte de iones. Como una ventaja concomitante, el proceso de separación de transporte de iones de electrolito sólido es mejorado también cuando el diluyente es usado como una corriente de reflujo para la membrana de transporte de iones, es decir, se reducen los requerimientos de energía para el sistema. Así, la esencia de la invención es diluir el oxígeno permeado del proceso de separación de transporte de iones para producir un producto de oxígeno ligeramente impuro que es más seguro y más fácil de manejar a elevadas temperaturas, pero cuya pureza es suficiente para la aplicación a que se destina. La invención básica está ilustrada en la Fig. 1. Durante la operación, la corriente de gas ambiente de alimentación 8 es comprimida por el compresor 10 y pasada después a través del cambiador de calor 12, en donde es entibiada contra la corriente de gas 30 de producto oxígeno y la corriente de desperdicio 32 de nitrógeno y entonces calentada además en un buen calentador 14 a una temperatura en exceso a los 400 ° C; preferiblemente 400-1200° C; más preferiblemente 600-1000° C. La corriente de gas de alimentación caliente 18 entra entonces al módulo separador 16 de transporte de iones y fluye a lo largo de un lado de la membrana de transporte de iones 17 la cual tiene un lado de retenido 17a y un lado de permeado 17b. La membrana de transporte de iones 17 tiene un extremo proximal 40 y un extremo distal 42. La membrana de transporte de iones 17 está compuesta preferiblemente de un óxido sólido que conduce vacantes de iones oxígeno y electrones. Tal membrana permitirá que solamente el oxígeno penetre del lado de retenido 17a al lado de permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17. En la ausencia de una purga o reflujo, el oxígeno permeado será de ultra-alta pureza (UAP). Este podría ser tomado como la corriente de gas producto, pero serían requeridos materiales especiales para manejar esta corriente con seguridad.

Un método para controlar el grado de dilución de la corriente de gas 26 de oxígeno impuro es monitorear la corriente de gas de alimentación caliente 18 usando el sensor opcional 1 y para la corriente de gas de oxígeno impuro 26 usando el sensor opcional 2. En tal modalidad, los 5 sensores opcionales 1 y 2 y la válvula 54 están conectados eléctricamente al microprocesador opcional 3. El microprocesador opcional 3 controla y ajusta dinámicamente la operación de la válvula 54 en respuesta a la información recibida de los sensores opcionales 1 y 2 para obtener la corriente de gas 26 de oxígeno impuro de una pureza seleccionada. Tal método para ajustar el reflujo controlando la operación de una válvula usando sensores y un microprocesador está descrito, por ejemplo, en Prasad et al., E.U. Serie No. 08/567,699, titulada "Purga Reactiva para Separación de Gases por Membrana de Electrolito Sólido" , presentada en Diciembre 5, 1995, la cual es incorporada en la presente mediante 15 referencia. En la Fig.l, la corriente de gas 20 de retenido presurizado será agotada en oxígeno y, si la corriente de gas de alimentación 8 es aire, consistirá principalmente de nitrógeno. Esta corriente de gas retenido 20 sería normalmente regresado a través del cambiador de calor 12 y 20 descargado como una corriente de desperdicio 32, posiblemente después de una expansión a través de una turbina para producir vapor. En esta invención, una pequeña porción de la corriente de retenido 20 rica en nitrógeno pasa a través de la válvula 54 y esta corriente de gas 22 es combinada con el permeado de oxígeno para producir la corriente de gas 26 de oxígeno ligeramente impuro. Como se dijo antes, la válvula 54 puede ser controlada por el microprocesador opcional 3. Alternativamente, esta dilución puede ser lograda mezclando la corriente de gas de oxígeno permeado 26 y la corriente degas nitrógeno 25 (mostrado en linea punteada) fuera del módulo separador de transporte de iones 16. Otro método de dilución incluiría el uso de una corriente de gas externa la cual es pasada a través de la válvula 58 para convertirse sucesivamente en la corriente de gas 34 y la corriente de gas 25 (ambas mostradas en linea punteada) , la cual es mezclada can la corriente de gas de oxígeno permeado 26. Otro método todavía de dilución incluiría usar la corriente de gas 36 (mostrada con linea punteada), la cual es tonada de la corriente de gas 18 de alimentación caliente y pasada a través de la válvula 50, para mezclarse con la corriente de gas de oxígeno permeado 26. Otro método de dilución incluiría usar la corriente de gas 38 (mostrada con linea punteada), la cual es tomada de la corriente de gas de alimentación caliente 18 y pasada a través de la válvula 52, para mezclarse con la corriente de gas de oxígeno permeado que sale del lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17. El rango preferido de concentración de oxígeno después de la dilución es de 80.0-99.9% y, más preferiblemente, de 90.0-99.7%. Es preferible, sin embargo, usar la porción de la corriente de gas retenido 20 rico en nitrógeno como una corriente de purga 22 para reflujar el lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17. Para que ocurra el transporte de oxígeno, la presión parcial de oxígeno en el lado de retenido 17a de la membrana de transporte de iones 17 debe exceder a la del lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17, como se expresa en la desigualdad: en donde p, es la presión total en el lado re retenido de la membrana; p^ es la presión total en el lado permeado de la membrana; Y, es la fracción mol de oxígeno en el lado de retenido de la membrana; y Y„ es la fracción mol de oxígeno en el lado de permeado a presión de la membrana. Esto emplea el principio termodinámico bien conocido de que una diferencia en concentración de una especie a través de una membrana dará coo resultado un potencial químico a través de la membrana. Esta condición debe prevalecer en todo el módulo separador de transporte de iones 16 para que el proceso de separación opere en toda la membrana de transporte de iones 17. Cuando no se usa la corriente de gas de reflujo, el gas permeado es oxígeno puro (Y = 1) y la fuerza impulsora a través de la membrana desaparecerá cuando Y, se vuelva suficientemente pequeña, suponiendo que las presiones p, y p permanecen constantes relativamente. Cuando algo de la corriente de gas de nitrógeno retenido 20 se usa como una corriente de reflujo o purga 22 para purgar el lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17, sin embargo, el valor de Y se reduce en el extremo de salida del retenido del módulo separador 16 de transporte de iones, permitiendo así que más del oxígeno en la corriente de gas de alimentación caliente 18 penetre a través de la membrana de transporte de iones 17. Por lo tanto, el uso de este método de reflujo o purga aumenta la eficiencia del proceso. La corriente de gas permeado extraída 26, sin embargo, ya no es oxígeno puro sino es diluido por la cantidad de nitrógeno que fue usada para reflujo de la membrana de transporte de iones 17. Como se dijo previamente, esta dilución es deseable usualmente ya que el manejo de la corriente permeada extraída 26 es ahora más simple puesto que este gas ya no es oxígeno UAP. Por consiguiente, la corriente de gas 5 permeado 26 y la corriente retenida residual 31 son enfriadas en el cambiador de calor 12 contra la corriente de gas de alimentación 8 después de compresión por el compresor 10. La corriente de gas de producto oxígeno 30 ahora enfriada y diluida es extraída como el producto final y la W corriente de gas retenido de nitrógeno residual 32 es descargada coo una corriente de desperdicio- En la práctica, la dilución de la corriente de oxígeno de alta pureza puede ser lograda de muchas maneras. I-a dilución puede ser realizada internamente (es decir, dentro del módulo de transporte de iones) o externamente. Preferiblemente, tal dilución ocurre antes que la 15 corriente de gas de producto diluido pase a través de un componente corriente abajo, más preferiblemente la corriente de gas es diluida antes que salga del módulo de transporte de iones. Una manera particularmente conveniente de diluir la corriente de gas oxígeno sería usar sellos menos que perfectos en el extremo proximal 40 o en el extremo distal 42 del módulo separador de transporte de iones 16 de manera que una porción de la corriente de gas de nitrógeno retenido 20 y/o la corriente de gas de alimentación caliente 18 escapen intencionalmente hacia el lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17 para diluir la corriente de gas de oxígeno permeado. La 25 colocación preferida de la fuga depende del diseño del módulo separador de transporte de iones 16. Si la corriente de gas de alimentación caliente 18 y la corriente de gas permeado 26 fluyen a contra-corriente uno con respecto a otro, es preferible tener la fuga del lado del retenido 17a de la membrana de transporte de iones 17 hacia el lado permeado 17b de la 5 membrana de transporte de iones 17. Si la corriente de gas de alimentación caliente 18 y la corriente de gas permeado 26 tienen un flujo concurrente geométricamente, es preferible tener la fuga de la corriente de gas de alimentación caliente 18 al lado permeado 17a de la membrana de transporte de iones 17. Si la corriente de gas de alimentación caliente 18 y la corriente de gas permeado 26 tienen un flujo geométrico "cruzado", la fuga puede estar ya sea en el extremo proximal 40, el extremo distal 42 o en ambos extremos del módulo separador de transporte de iones 16. Debe notarse que una ventaja de los sellos imperfectos o "con fuga" es que son más fáciles de hacer que los sellos perfectos a prueba de fugas. La 3-5 mayoría de los sellos hechos con empaques y algunos sellos hechos con anillos-o permiten alguna desviación de la corriente de gas del lado del retenido al lado permeado del módulo separador de transporte de iones 16. A veces se emplean sellos para acomodar la expansión diferencial. Puesto que este sello experimenta típicamente más fuga, sería colocado enel lado corriente-arriba del ánodo, es decir, en el extremo próxima1 40, cerca de la entrada de la corriente de gas de alimentación al módulo de transporte de iones 16. La Fig. 2 es un diagrama esquemático que ilustra un método de dilución que usa un aparato que emplea una membrana separadora de 25 transporte de iones de electrolito sólido para separar gas oxígeno de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno y un orificio medidor para diluir subsecuentemente la corriente de gas oxígeno oon la corriente de gas retenido agotado en oxígeno. Este aparato realiza esencialmente las funciones del módulo de transporte de iones 16 y el sentido de dirección de la corriente de purga de gas retenido 22 para dilución de la Fig. 1 en un aparato. Durante la operación, una corriente de gas de alimentación 70 es dirigida por deflectores 76 para fluir a través del exterior del tubo de transporte de iones 72 en donde el oxígeno es removido y la corriente de gas queda agotada en oxígeno. El tubo de transporte de iones 72 está soportado en un extremo por la placa de tubos 74 y está tapado y flotando libremente en el otro extremo. El extremo tapado del tubo de transporte de iones 72 tiene un orificio 78 de un diámetro seleccionado. Aunque la mayor parte de la corriente de gas retenido agotado en oxígeno 79 sale del aparato como corriente de gas retenido 80, la corriente de gas retenido de purga 82 pasa a través del ori icio 78 para purgar el lado ( interior) permeado del tubo de transporte de iones 72 y produce una corriente de gas 84 de producto oxígeno de pureza controlada la cual sale del aparato. El tamaño del orificio 78 así como el régimen de flujo y las presiones de las corrientes de gas involucradas determinan la cantidad de dilución de oxígeno. Para una aplicación típica de la invención de momento, una turbina de gas con co-producto que tiene una pureza de gas oxígeno deseada de 95%, los parámetros serían típicamente como sigue: Presión de la corriente de gas retenido 79: 14.07 Kg/cm2 Presión de la corriente de gas permeado 70: 1.4 Kg/cm2 Dimensiones del tubo de transporte de iones 72: 0.75 D.E. x 6.1 m Temperatura de operación del tubo de transporte de iones 72: 900° C Contenido de oxígeno de la corriente de gas retenido 80: 13% Flujo promedio de O2 a través del tubo de transporte de iones 72: 5 3.05 MCHN/m2 Coeficiente del orificio 78: 0.95 De esta información, el régimen de flujo de la corriente de gas diluyente ir 82 puede ser calculado camo 0.238 por tubo de transporte de iones 72. De la ecuación de orificio bien conocida, el diámetro del orificio 78 10 requerido se encuentra que es 0.03378 cm. Son posibles arreglos y aparatos de dilución alternativos. La Fig. 2B es un diagrama esquemático que ilustra un ejemplo de un aparato que emplea una membrana separadora de transporte de iones de electrolito sólido para separar gas oxígeno de una corriente de gas de alimentación 15 que contiene oxígeno con una purga de corriente de gas retenido agotado en oxígeno. Como en la Fig. 2A, este aparato realiza esencialmente las funciones del módulo de transporte de iones 16 y la dirección de la corriente de purga de gas retenido 22 para dilución de la Fig. 1 en un aparato. Durante la operación, una corriente de gas de alimentación 100 20 es dirigida por los deflectores 102 paraa fluir a través del exterior del tubo de transporte de iones 104 en donde es removido el oxígeno y la corriente de gas se agota en oxígeno. El tubo de transporte de iones 104 está soportado en un extremo por la placa del tubo 104 y está tapado y flotando libremente en el otro extremo. La corriente de gas retenido 25 agotado en oxígeno 112 sale del aparato y se divide en dos porciones: la # corriente de gas retenido 113, la cual es desechada o recuperada cono un co-producto, y la corriente de gas retenido 114 la cual pasa a través de la válvula 116 para convertirse en la corriente de gas de purga 118 la cual es retro-alimentada al aparato como se muestra. Aunque no se muestra, 5 la corriente de gas retenido 114 es enfriada típicamente en un cambiador de calor antes de pasar a través de la válvula 116 con el fin de permitir que la válvula 116 sea hecha de materiales menos caros diseñados para temperaturas menores. En tal caso, la corriente de gas de purga 118 es calentada antes de ser alimentada al aparato. La corriente de gas de purga 118 es alimentada al interior del tubo de transporte de iones 72 que usa un tubo de alimentación de purga 108 soportado por una placa de tubo 110 para purgar el lado permeado del tubo de transporte de iones 72 y producir la corriente de gas producto 120 de oxígeno de pureza controlada la cual sale del aparato. 15 Aun otro método de dilución de acuerdo con esta invención usa un * material cerámico u otro material que es permeable a por lo menos una porción del gas retenido o de alguna forma permite el paso del gas retenido al lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17, en áreas seleccionadas cerca de o en la membrana de transporte de iones 20 17. Esto permitirá que algo del gas retenido penetre a través de o de otro pase al lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17. Tal material puede ser dispersado uniformemente por toda la membrana de transporte de iones 17 o solamente en áreas seleccionadas de la membrana de transporte de iones 17. Este material permeable-al-gas-retenido podría ser usado en cambio en algunas áreas fuera de la membrana de transporte de iones 17. Alternativamente, podrían ser provistos pequeños hoyos o conductos, tal como el conducto 41, en la membrana de transporte de iones 17 o en áreas cercanas a la membrana de transporte de iones 17 para permitir que algo del gas retenido pase al permeado de oxígeno de UAP. Una 5 combinación de estos medios de penetración o transporte podrían ser usados también si se desea. El modo preferido de la invención es usar una porción de la corriente de gas retenido 20 enriquecido en oxígeno como una corriente de ^ purga 22 para reflujo del lado permeado 17b de la membrana de transporte de iones 17, como se muestra en la Fig. 1. Un modo alterno de poner en práctica la invención es usar una porción del retenido extraido rico en nitrógeno 20 como una corriente de gas diluyente 24 la cual pasa a través de la válvula 56, se convierte en la corriente de gas 25, y es mezclada con la corriente permeada extraída 26. Aunque no es tan ventajosa como el modo preferido de operación, este medio puede ser usado en donde es impráctico reflujar la membrana de transporte de iones 17 como, por ejemplo, cuando el módulo separador de transporte de iones 16 es un dispositivo de 3 portillas. Siendo el objetivo de la invención diluir el oxígeno, el modo alterno podría usar 20 cualquier gas diluyente de una fuente externa que es compatible con los requerimientos del producto oxígeno final, más bien que usar el retenido rico en nitrógeno. Otra alternativa es usar una corriente de reflujo que contiene una una especie de combustible que puede reaccionar con algo del oxígeno 25 permeado a través de la membrana de transporte de iones 17. Los productos * de tal combustión diluyen la corriente de gas producto de oxígeno a un nivel adecuado. Por ejemplo, la adición de 1% de metano a la corriente de- oxigeno puro producirá agua y dióxido de carbono que diluyen la corriente de gas oxígeno 26 al 97% de oxígeno. El uso de un "diluyente reactivo" 5 también sirve para producir calor que puede suplementar el requerimiento de calor del módulo separador de transporte de iones 16. La concentración reducida de oxígeno también mejora de alguna forma el flujo de oxígeno a 'fgfi través de la membrana de transporte de iones 17 en la región donde ocurre la combustión. 10 Aun cuando la presente invención ha sido descrita con relación a modalidades particulares de la misma, muchas otras variaciones y modificaciones y otros usos se harán aparentes a aquellos expertos en el arte. Es preferido, por lo tanto, que la presente invención no esté limitada por la descripción específica en la presente, sino solamente por las reivindicaciones adjuntas. La corriente de gas de alimentación caliente 18 del módulo separador de transporte de iones 16 puede ser cualquier gas conteniendo oxígeno elemental. En general, sin embargo, la corriente de gas de alimentación caliente 18 al módulo separador de transporte de iones 16 20 tendría un rango preferido de 79-97% de nitrógeno (más correctamente, gas libre de oxígeno), es decir, 3-21% de oxígeno; siendo el rango más preferido de 79-92% de nitrógeno (gas libre de oxígeno), es decir, 8-21% de oxígeno. Como se dijo antes, los términos "conductor iónico de electrolito 25 sólido", "membrana de transporte de iones de electrolito sólido", "electrolito sólido" o "membrana de transporte de iones" son generalmente usados en la presente para designar o un sistema de tipo iónico (impulsado eléctricamente) o un sistema de tipo-conductor mezclado (impulsado a presión) a menos que se especifique otra cosa. 5 El término "nitrógeno" como se usa en la presente significa gas agotado en oxígeno, es decir, agotado en oxígeno con relación al gas de alimentación. Como se discutió antes, la membrana de transporte de iones permite solamente la penetración de oxígeno. Por lo tanto, la composición del retenido dependerá de la composición del gas de 10 alimentación. El gas de alimentación estará agotado en oxígeno pero retendrá nitrógeno y cualesquiera otros gases (por ejemplo, argón) presente en el gas de alimentación. El significado del término será claro al experto en le arte en el contexto del uso del término a la luz de la invención descrita en la presente. 15 . Como se usa en la presente el término "oxígeno elemental" significa fjf' cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque típicamente en forma diatómica, el oxígeno elemental incluye atemos de oxígeno sencillos, ozono triatómico y otras formas sin combinar con otros elementos. 20 El término "alta pureza" se refiere a una corriente de gas que contiene menos del 5% en volumen de gases no deseados. Preferiblemente la corriente de gas es por lo menos 99.0% puro, más preferiblemente 99.9% puro, y lo más preferiblemente por lo menos 99.99% puro, en donde "puro" indica una ausencia de gases no deseados. 25 Coo se usa en la presente el término "componente corriente-abajo" o "elemento corriente-abajo" significa aparato a través del cual fluye una corriente de gas después de emerger del módulo de transporte de iones. Un ejemplo de un componente corriente-abajo puede ser un cambiador de calor. Muchas variaciones alternativas de elementos físicos tales como intercambiadores de calor inter-sistemas e ínter-etapas, inter-enfriadores, calentadores, etc., pueden ser usados de cualquier forma adecuada en esta invención. El uso de estos elementos, por ejemplo, los cambiadores de calor descritos aquí, mejoran con frecuencia la eficiencia de la energía del proceso completo. Otros componentes pueden incluir pre-purificadores o post-purificadores de membrana polimérica o de cama absorbente. Tales componentes y su operación son bien conocidos en el arte y en la práctica de la separación de gases y procesamiento de gases y su uso apropiado en la presente invención será entendido por aguellos expertos en el arte. Aspectos específi.cos de la invención son mostrados en uno o más de de los dibujos por conveniencia solamente, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte y se pretende sean incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. RE-Í-V----NDICACIONES 1. Un proceso para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas en una corriente de gas producto de oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno, dicho proceso comprendiendo: 5 eliminar el oxígeno de la corriente de gas de alimentación usando un módulo de transporte de iones que contiene una membrana de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas de oxígeno ultra-puro que emerge de la membrana en el lado permeado y una corriente de gas retenido; y 10 mezclar la corriente de gas de oxígeno ultra-puro con una corriente aditiva de gas para producir una corriente producto de gas oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno.
2. 2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el mezclado ocurre en uno -o más puntos entre el punto en el cual el oxígeno 15 penetra a través de la membrana de transporte de i.ones y e3. punto en el cual la corriente producto de gas oxígeno pasa a través de un componente corriente abajo.
3. 3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la corriente de gas aditivo para mezclar comprende por lo menos una porción 20 de la corriente de gas retenido.
4. 4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la corriente de gas aditivo para mezclar es provista a través del grupo que consiste de uno o más conductos, un material poroso y una membrana que es permeable selectivamente a por lo menos una porción de la corriente de 25 gas retenido, para permitir que por lo menos una porción de la corriente de gas retenido se mezcle con la corriente de gas oxígeno ultra-puro al momento de o después de la salida de la corriente de gas oxígeno ultra- puro de la membrana.
5. 5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el 5 material poroso está en contacto con la membrana de transporte de iones.
6. 6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el material poroso está disperso en la membrana de transporte de iones.
7. 7. El proceso de acuerdo a la reivindicación 1, en donde la corriente de gas aditivo para mezclar es provista a través de por lo 10 menos un conducto que se extiende a través de la membrana de transporte de iones.
8. 8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente de gas aditivo para mezclar es provista a través de sellos imperfectos en por lo menos un extremo de la membrana de transporte de 15 iones.
9. 9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente de gas aditivo para mezclar comprende por lo menos una porción de la corriente de gas de alimentación.
10. 10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la 20 corriente de gas aditivo para mezclar es una corriente de gas reactivo que reacciona con la corriente de gas oxígeno ultra-puro para producir la corriente producto de gas oxígeno diluido que tiene una concentración seleccionada de oxígeno. RESCM-aI DE IA INVENCIÓN Un proceso para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas en una corriente producto de gas oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno, dicho proceso comprendiendo remover el oxígeno de una corriente de gas e alimentación usando un módulo de transporte de iones que contiene una membrana de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas oxígeno ultra-puro que sale de la membrana en el lado permeado y una corriente de gas retenido y mezclar la corriente de gas oxígeno ultra-puro con una corriente de gas aditivo para producir una corriente producto de gas oxígeno que tiene una concentración seleccionada de oxígeno.