MXPA98004412A - Sistema de electrolito solido para usarse con hornos - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a:Un proceso para enriquecer con oxígeno una primera corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos algún otro gas para se alimentada a un horno utilizando una corriente de gas oxígeno puro o una corriente de gas enriquecido con oxígeno obtenida a partir de una segunda corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos algún otro gas, comprendiendo el proceso:comprimir la primera corriente de gas de alimentación comprimido:separar la segunda corriente de gas de alimentación usando un módulo de transporte de iones que contiene una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriquecido con oxígeno en el lado permeado:calentar por lo menos la primera corriente de gas de alimentación comprimido antes de inyectarla al horno;y agregar la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriquecido con oxígeno a la primera corriente de gas de alimentación en cualquier ubicación antes que entre la primera corriente de gas de alimentación al horno.

Description

SISTEMAS DE ELECTROLITO SOLIDO PARA USARSE CON HORNOS CAMPO DE LA INVENCIÓN a invención se refiere a un proceso y aparato para el uso de sistemas de conductores iónicos de electrolito sólido para separar oxígeno del para producir oxígeno o aire enriguecido en oxígeno y, más particularmente, a un proceso y aparato que utiliza tales sistemas de electrolito sólido con hornos. DERECHOS DEL GOBIERNO DE LOS E. U. Esta invención fue hecha con el soporte del Gobierno de los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Cooperación No. 70NANB5H1065 otorgado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El Gobierno de los Estados Unidos tiene ciertos derechos en la invención. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN ía operación de altos hornos consume típicamente grandes cantidades de aire, el cual provee el oxígeno para las reacciones de oxidación gue phí ocurren. Los operadores de altos hornos han estado cambiando a la •nyección de carbón pulverizado para reducir la cantidad de coque necesario para la producción de fierro a partir de mineral. Con este cambio, el aire para el alto horno tiene gue ser enriquecido con oxígeno para mantener el régimen de producción del alto horno. Esto ha creado una necesidad de producir aire enriquecido con oxígeno para usarse con altos hornos. El requerimiento de oxígeno para tal alto horno es de más de 0.1 ton de oxígeno por ton de fierro. Consecuentemente, el costo del oxígeno se vuelve un factor importante en el costo de producción de fierro. E1 ai-re 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 f0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Ya gue solamente la fracción de oxígeno del gas inyectado al alto horno (por ejemplo, aire) es consumido por la combustión, los otros componentes del gas (por ejemplo, nitrógeno y argón) son usualmente desechados del horno de gas químicamente sin cambio. Estos gases de descarga sin reaccionar, sin embargo, han sido calentados en el proceso y contribuyen por lo tanto a la ineficiencia de energía del proceso, puesto que mucho de este calor no puede ser recuperado. El medio básico para suministrar aire enriguecido con oxígeno al alto horno involucra tomar oxígeno de pureza normal '99.5%) de una unidad de separación de aire diseñada para suministrar a] horno de oxígeno básico (HOB) y mezclar el gas con el aire de inyección antes de entrar a los guemadores del alto horno. Con frecuencia el oxígeno usado para enriquecer el aire está a una presión elevada ( > 14 kg/crrr) necesaria para las operaciones del HOB. Un método alternativo es usar una planta de oxígeno de baja pureza í70-90% mol) para producir oxígeno usando menos energía gue con una planta de oxígeno de alta pureza y mezclar este gas oxígeno con el aire del ventilador del aire de inyección. Debido a esta necesidad de oxígeno para uso en altos hornos, hay una demanda para el desarrollo de procesos más eficientes para producir oxígeno o aire enri uecido con oxígeno para usarse en operaciones de altos hornos. La invención satisface esta demanda integrando los procesos de de separación de gases para producir oxígeno o aire enriguecido con oxígeno con los altos hornos a los gue alimentan para mejorar la eficiencia del proceso global. Los conductores iónicos de electrolito sólido ofrecen una tecnología potencialmente atractiva para la separación de oxígeno del aire. El proceso con electrolito sólido puede ser operado usando los conductores iónicos en un modo impulsado eléctricamente o conductores mixtos en un modo impulsado a presión. Dos aspectos ünicos del proceso de electrolito sólido son que el proceso opera a altas temperaturas ("600-1000°^ y produce oxígeno con una selectividad infinita de oxígeno a nitrógeno. Estos aspectos hacen al proceso de electrolito sólido muy adecuado para integración con un proceso de alta temperatura tal como la operación de alto horno. El fundamento para la operación de una membrana transportadora de iones es gue transporta eficientemente vacantes de iones oxígeno a altas temperaturas. Las membranas transportadoras de iones impulsadas eléctricamente, cuando son expuestas a una diferencial de presión parcial de oxígeno en ambos lados de la membrana, permitirán que se desarrolle un un voltaje expontáneo (el potencial de Nernst)que es dependiente logarítmicamente de la presión parcial de oxígeno a través de la membrana. Inversamente, cuando se aplica un voltaje externo gue excede al potencial de Nernst, el oxígeno en la forma de iones óxido puede ser bombeado a través de la membrana contra el gradiente de presión parcial. Este bombeo requiere una corriente eléctrica y, aunque este tipo de proceso es capaz de producir oxígeno a presión y temperatura elevadas, el costo de la energía eléctrica requerida es elevado. Más recientemente, han sido desarrollados materiales de electrolito sólido que pueden transportar vacantes de iones oxígeno a alta temperatura y también son conductores electrónicos. Para tales materiales, la contra-corriente al flujo de vacantes de iones oxígeno se efectúa mediante un flujo imterno de electrones, más bien que a través de un circuito externo. No se requieren electrodos y el transporte entero es impulsado por la presión parcial de oxígeno en las corrientes de gas en uno u otro lado de la membrana transportadora de iones. No se necesita suministrar energía eléctrica y este tipo de proceso es integrado más rápidamente con el equipo del alto horno y esun medio más atractivo para suministrar oxígeno o aire enriguecido con oxígeno al alto horno. Hay, por lo tanto, dos tipos de membranas transportadoras de iones en uso: conductoras iónicas que conducen solamente iones a través de la membrana, lo cual requiere electrodos y un circuito externo para permitir el flujo de electrones, y conductoras mixtas que conducen iones y electrones a través de la membrana. Como se usa en la presente, los términos "conductor iónico de electrolito sólido", "membrana transportadora de iones de electrolito sólido", "electrolito sólido" o "membrana transportadora de iones" son usados generalmente para designar o un sistema de tipo iónico (impulsado eléctricamente) o un sistema tipo conductor mixto ( impulsado a presión) a menos gue se especifigue otra cosa.

Aungue el proceso de transporte de iones es capaz de producir oxígeno puro, la mejor manera practica para esta aplicación involucra el uso de aire, o un gas con una presión parcial menor de oxígeno gue la corriente de gas de alimentación, cono una corriente de gas de purga para el lado permeado de la membrana transportadora de iones. Esto reduce la presión parcial de oxígeno y mejora el transporte de oxígeno través de la membrana conduciendo a una recuperación mayor de oxígeno. El producto de tal módulo de transporte de iones es aire enriquecido con oxígeno, más bien que oxígeno puro, pero este es adecuado para inyección a la corriente de alimentación o de aire inyectado para elevar la concentración de oxígeno del aire caliente inyectado. La tecnología de transporte de iones de electrolito sólido está descrita con más detalle en la Patente de E.U. No. 5,547,494 de Prasad et al., titulada "Membranas de Electrolito en Etapas", la cual se incorpora a la presente por referencia para describir más completamente el estado del arte. Han sido presentados en la literatura técnica avances en el estado del arte de separación de aire usando membranas de óxidos inorgánicos. Además, de han propuesto esguemas (por ejemplo, la Patente de E.U. No. 5,268,019 de Rathbone, ver más adelante) en los cuales turbinas de gas que repostadas con combustible de gas de alto horno son integradas con unidades de separación de aire para proveer oxígeno de pureza reducida para enriquecer el aire de inyección. En la Patente de E.U., No. 4,545,787 de Hegarty, titulada "Proceso para Producir Oxígeno Sub-Producto de la Generación de Energía Eléctrica por Turbina", se describe un método para generar energía d partir de una corriente de aire comprimida y calentada eliminando oxígeno de la corriente de aire, quemando una porción de la corriente de aire resultante con una corriente de combustible, combinando el residuo de la combustión con otra porción de la corriente de aire resultante, y expandiendo el producto final de la combustión a través de una turbina para generar energía. Hegarty menciona el uso de membranas compuestas de plata y membranas compuestas de óxidos metálicos de electrolito sólido para remover oxígeno de la corriente de aire. Kang et al., Patente No. 5,516,359 de E.U. titulada "Método Integrado de Alta Temperatura para Producción de Oxígeno", se refiere a un proceso para separar oxígeno a partir de aire calentado y comprimido usando una membrana de conductor iónico de electrolito sólido en donde el producto no permeado es calentado después y pasado a través de una turbina para generación de energía. Rathbone, Patente No. 5,268,019 de E.U. , titulada "Método y Aparato de Separación de Aire Combinado con un Alto Horno", se refiere a un medio para integrar una planta de separación de aire con un alto horno. El método no involucra electrolitos sólidos y, por lo tanto, no hace uso de integración térmica. Rathbone, Patente No. 5,317,862 de E.U. titulada "Separación de Aire", se refiere al uso de nitrógeno presurizado para generar energía y mejorar el balance de calor de un proceso integrado con un alto horno. Grenier, Patente No. 5,244,489 de E.U. titulada "Proceso para Alimentar un Alto Horno con Aire Enriguecido en Oxígeno, e Instalación Correspondiente para la Reducción de Mineral de Fierro", se refiere a un medio para integrar una planta criogénica de separación de aire con un alto horno. No son empleados electrolitos sólidos y la invención involucra el uso del ventilador de aire de inyección en combinación con un concepto de separación de aire de baja pureza conocido como el proceso de columna mezcladora. Este es un proceso criogénico similar al de columna estándar doble, pero con la adición de una tercera columna en donde el líquido se pone en contacto con aire para producir una corriente de baja pureza para mezclar con el aire de inyección que entra a las estufas. OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención proveer un método eficiente para integrar un sistema de conductor iónico de electrolito sólido a una unidad de producción de oxígeno para proveer una corriente gas enriguecida en oxígeno a un horno. Es un objetivo adicional de la invención incrementar la eficiencia del proceso purgando la membrana de transporte de iones con una porción del aire caliente de inyección, una porción de la corriente de nitrógeno de desperdicio, un gas reactivo combustible u otro gas de baja concentración de oxígeno. Es otro objetivo de la invención incrementar la eficiencia de todo el sistema mediante la integración de las etapas del proceso usando conductos, cambiadores de calor, enfriadores, guemadores, expansores de energía y otros equipos en puntos apropiados del sistema para recuperar y transferir energía. RESUMEN DE LA INVENCIÓN la invención comprende un proceso para enriquecer con oxígeno una primera corriente de gas de alimentación gue contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas para ser alimentada a un horno utilizando una corriente de gas de oxígeno puro o una corriente de gas enriquecido son oxígeno obtenida de una segunda corriente de gas de alimentación gue contiene oxígeno elemental y por lo menos otro gas. Durante el proceso, la primera corriente de gas de alimentación es comprimida. La segunda corriente de gas de alimentación es separada usando un módulo de transporte de iones que contiene una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y la corriente de gas de oxígeno puro o la corriente de gas enriguecido con oxígeno en el lado de permeado. Por lo menos la primera corriente de gas de alimentación es calentada antes de inyectarse al horno. La corriente de gas de oxígeno puro o la corriente de gas enriguecido con oxígeno es agregada entonces a la primera corriente de gas de alimentación en cualguier ubicación antes de que la primera corriente de gas de alimentación entre al horno. En una modalidad preferida de la invención, el horno es un alto horno. En otra modalidad preferida de la invención, la segunda corriente de gas de alimentación comprende por lo menos una porción de la primera corriente comprimida de gas de alimentación o una corriente de gas comprimido de alimentación enriquecido con oxígeno. En otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la corriente de gas agotado en oxígeno o la segunda corriente de gas de alimentación es usada como una corriente de purga para purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones. En otra modalidad oreferida de la invención, por lo menos una porción de la primera corriente de gas, después de ser calentada, es agregada a la segunda corriente de gas de alimentación. En aun otra modalidad preferida, la segunda corriente de gas de alimentación es calentada transfiriendo calor de la corriente de gas de oxígeno puro o de la corriente de gas enriquecido con oxígeno a la segunda corriente de gas de alimentación. En aun otra modalidad preferida, un expansor de energía recupera energía de la corriente de gas agotado en oxígeno. En otra modalidad preferida, una corriente de gas combustible es agregada al lado permeado de la membrana transportadora de iones para purgarlo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se le ocurrirán a aguellos expertos en el arte de la siguiente descripción de modalidades preferidas y los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra el módulo de transporte de iones con un alto horno en donde la corriente de gas combustible es agregada a un guemador en la corriente de gas de desperdicio; La Fig. 2 es un diagrama esguemático de una modalidad de la invención similar a la Fig. 1 excepto por gue la corriente de gas rico en oxígeno del módulo de transporte de iones es enfriada y comprimida e inyectada a la corriente de gas presurizado gue entra a las estufas y el aire caliente de inyección es mezclado con la corriente de gas de alimentación para el módulo de transporte de iones; Ta Fig. 3 es un diagrama esguemático de una modalidad de la invención gue muestra un proceso en donde la corriente de gas de purga es tomada de una porción de la corriente de gas nitrógeno sub-producto; La Fig. 4 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención similar al de la Fig. 3 excepto por que la corriente de gas permeado rico en oxígeno del módulo de transporte de iones es enfriada y comprimida e inyectada a la corriente de gas presurizado que entra a las estufas ; La Fig. 5 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención similar al de la Fig. 4 en donde un compresor independiente de aire presuriza la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones; La Fig. 6 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que tiene un proceso de transporte de iones impulsado a presión en donde una porción del aire del ventilador de aire de inyección es enfriada y comprimida en un compresor de refuerzo a una presión elevada para pasar a través de un cambiador de calor y a través de un cambiador para elevar la temperatura de la corriente de gas de alimentación a la temperatura de operación preferida del transporte de iones; La Fig. 7 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra un módulo de transporte de iones impulsado eléctricamente combinado con una operación de alto horno en donde la corriente de gas permeado se agrega directamente a la corriente de gas calentado gue es inyectada al alto horno; y la Fig. 8 es un diagrama esguemático de una modalidad de la invención gue muestra un módulo de transporte de iones combinado con una operación de alto horno en donde una porción del aire del ventilador de aire de inyección es desviado al proceso de transporte de iones. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La esencia de la invención es formar un proceso integrado en donde aire comprirt-ido del ventilador de aire de inyección se usa cano la alimentación para el dispositivo de electrolito sólido, eliminando así la necesidad de un compresor por separado. Una porción del aire caliente de inyección se puede usar para suministrar el calor necesario para mantener la temperatura de operación del nodulo de electrolito sólido, eliminando o reduciendo así el combustible requerido para la corriente de aire enriquecido en oxígeno que mejora la operación del alto horno. Las modalidades preferidas de la invención hacen uso de algo de la energía de compresión y algo del calor del; equipo del alto horno para ayudar en la operación del proceso de transporte de iones, produciendo oxígeno o aire enriquecido en oxígeno para el mejoramiento de la efectividad del aire caliente inyectado al alto horno. Integrando el módulo de transporte de iones con el equipo del alto horno, la energía y el costo del proceso de enriguecimiento con oxígeno se puede reducir y hacer más eficiente el proceso en su totalidad. Hay varias maneras diferentes en las que puede combinarse un ódulo de transporte de iones con la operación de un alto horno. Algunas de estas maneras están integradas parcialmente solamente y pueden no ser altamente eficientes; son descritas para propósitos ilustrativos. Las modalidades preferidas están integradas altamente y ofrecerán un medio eficiente y práctico para mejorar la operación del alto horno. ^ invención es descrita con referencia a las Figuras. En general, la concentración preferida del aire enriquecido con oxígeno inyectado al horno tal como un alto horno es de 25-27% de oxígeno en volumen. El proceso puede ser adaptado para alcanzar esta u otra concentración deseada de oxígeno. Hay varias ventajas y aspectos de la invención que son ilustrados en las modalidades de las invenciones presentadas en las Figuras. Estos aspectos incluyen administración de calor e integración térmica de los diversos componentes del proceso, la posibilidad de utilizar maquinaria existente y reacondicionar los componentes necesarios para convertir un alto horno existente a la presente invención, el uso de una corriente de gas de purga para mejorar la eficiencia de la membrana transportadora de iones, y el uso de una turbina para recuperar energía de las corrientes de gas de alta presión. Hay muchas modalidades alternas de la invención presentadas en las figuras que ilustran varios aspectos de la invención. Por ejemplo, la Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra la adición de la corriente de gas combustible al quemador en la corriente de gas de desperdicio. Este arreglo sería empleado solamente para recortar la temperatura o como una fuente de calor agregado pues sería impráctico explotar y utilizar la corriente caliente de inyección y así tener solamente la corriente de aire tibio disponible para purgar o si se desea producir más energía de la turbina elevando su temperatura de admisión. Durante la operación, la corriente de gas 44 enriquecida con oxígeno es agregada a la corriente de gas de alimentación 2 para hacer la corriente de gas 4 la cual es alimentada al ventilador de aire de inyección 5. La corriente de gas de alimentación comprimido 6 del ventilador de aire de inyección 5 es dividida en la corriente de gas 8 la cual es alimentada a las estufas 10 y la corriente de gas 46 la cual es desviada a través del cambiador de calor 52 donde su temperatura es elevada por transferencia de calor con la corriente de gas caliente 42 enriquecida con oxígeno y la corriente de gas caliente de desperdicio 50 del módulo de transporte de iones 38 para formar la corriente de gas calentado 45. La corriente de gas 14 de las estufas 10 es dividida en la corriente de gas 16, la cual es alimentada al alto horno, y la corriente de gas 18, la cual pasa a través de la válvula 19 para convertirse en la corriente de gas 22. La corriente de gas caliente de escape 13 sale del alto horno 12. La corriente de gas 22 se une a la corriente de gas calentado 45 para convertirse en la corriente de gas 43. La corriente de gas 43 se divide en la corriente de gas 47 y corriente de gas 20. La corriente de gas 47 es alimentada al lado de retenido 40a de la membrana transportadora de iones 40. La corriente de gas 20 pasa a través de la válvula 21 para convertirse en la corriente de gas de purga 26. La corriente de gas combustible 24, es decir, un gas reactivo sujeto a combustión con oxígeno, es agregada opcionalmente a la corriente de gas de purga 26 y guemada eventualmente dentro del módulo de transporte de iones 38. La corriente de gas de purga 26 puede ir a través del expansor opcional 28 en lugar de la válvula 21 de manera gue se recupere algo de la energía de compresión, y forme entonces la corriente de purga 30. La corriente de purga 30 es desparramada en el lado permeado 40b de la membrana transportadora de iones 40 en una direcci.ón a contracorriente del flujo en el lado de retenido 40a de la membrana de transporte de iones 40. Controlando el mezclado de la corriente de gas 22 y la corriente de gas 45, el módulo de transporte de iones 38 puede ser mantenido a la temperatura de operación apropiada. La corriente de gas producto enriquecido con oxígeno de baja presión 42 es enfriada en el cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 44 enriquecido con oxígeno la cual es inyectada a la corriente de aire de alimentación 2 para incrementar la concentración de oxígeno de la corriente de aire de inyección 16. La sorriente de gas de desperdicio rica en nitrógeno 48 es pasada a través del quemador opcional 36 en donde la corriente de gas combustible 34 es agregada y tiene lugar la combustión. La corriente de gas de desperdicio 50 pasa a través del expansor 56 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 54. La corriente de gas 54 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 58, la cual es generalmente desechada. La Fig. 2 es un diagrama esquemático que muestra un proceso algo parecido al precedente excepto que en este caso la corriente de gas rico en oxígeno del módulo de transporte de iones es enfriado y comprimido e inyectado a la corriente de gas presurizado que entra a las hornillas en lugar de ser combinada con la alimentación al ventilador de aire de ;nyección. Puede verse gue una porción gue la corriente mezclada de gas de alimentación es sacada para la corriente de gas de purga. Puesto gue la corriente de gas de alimentación y la corriente de gas de purga están a la misma temperatura, la separación por transporte de iones es isotérmico. La operación isotérmica es preferida generalmente por ser más eficiente y por reducir tensiones térmicas en los elementos del separador por transporte de iones.

Durante la operación, la sorriente de gas de alimentación 2 es alimentada al ventilador de aire de inyecsión 5. La sorriente comprimida de gas de alimentación 60 del ventilador de aire de inyección 5 se divide en la sorriente de gas 62 y la corriente de gas 77 la cual pasa a través del compresor de refuerzo opcional 78 para formar la sorriente de gas 79 la sual pasa a través del cambiador de calor 52 donde su temperatura es elevada por transferencia de calor con la sorriente ealiente de gas enriquecido en oxígeno 71 y la corriente de gas saliente de desperdieio 87 del módulo de transporte de iones 83 para formar la corriente de gas salentado 80. La sorriente de gas 62 es mezelada son la sorriente de gas 76 enriquesido son oxígeno y alimentada a las hornillas 10. La sorriente de gas 64 de las hornillas 10 se divide en la sorriente de gas 65, la sual es agregada a la sorriente de gas calentado 80 para formar la corriente de gas 81, y la corriente de gas 66, la cual es alimentada al alto horno 12. La corriente caliente de gas de escape 13 deja al alto horno 12. La corriente de gas 81 se divide en la corriente de gas 82 y la corriente de gas 68. La corriente de gas 82 es alimentada al lado del retenido 84a de la membrana transportadora de iones 84. La corriente de gas 68 pasa a través de la válvula 69 y a través del expansor opcional 28 en donde se recupera algo de la energía de compresión y forma la corriente de gas de purga 70. La corriente de gas de purga 70 es derramada en el lado permeado 84b de la membrana transportadora de iones 84 en una dirección a contra-corriente del flujo en el lado de retenido 84a de la membrana transportadora de iones 84. Controlando el mezclado de la corriente de gas 65 y la corriente de gas 80, el módulo de transporte de iones 83 puede ser mantenido a la temperatura de operación apropiada. La sorriente de gas produsto enriquecido con oxígeno de baja presión 71 es enfriada en el cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 72 enriquecido con oxígeno, la cual es enfriada por el enfriador 73 para formar la sorriente de gas 74. La corriente de gas 74 es eomprimida por el sompresor 75 para formar la corriente de gas 76 la sual es inyestada a la sorriente de gas 62 para inerementar la sonsentraeión de oxígeno de la sorriente de aire de inyessión 66. La sorriente de gas de desperdisio 86 risa en nitrógeno, es pasada a través del guemador opcional 36 en donde se agrega la corriente de gas combustible 34 y tiene lugar la combustión. La corriente de gas de desperdicio 87 pasa a través del expansor 56 en se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 88. La corriente de gas 88 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 90, la cual es desechada generalmente. La Fig.3 es un diagrama esguemátiso que muestra un proceso en donde la corriente de gas de purga es tomada de una porción de la corriente de gas nitrógeno de desperdicio. Esta configuración permite tomar la corriente de gas de desperdicio como un sub-producto si eso es ventajoso. En este caso, el aire caliente de inyección es agregado a la sorriente a alta presión de gas de alimentasión para el módulo de transporte de iones, somo en la Fig. 2. Alternativamente, la corriente de gas de desperdisio risa en nitrógeno podría ser mezclada con la inyección caliente para formar la corriente de gas de purga auna presión algo menor gue la presión a la salida del ventilador de aire de inyección, la porción tomada para alimentar el transporte de iones puede tener que ser expandida a través de una válvula, como se muestra, y la presión superior del proceso de transporte de iones es reducida así a la presión del aire caliente de inyecsión. Como en la Fig. 1, se puede agregar una pequeña cantidad de combustible a la corriente de gas de purga y guemado en el módulo de transporte de iones como un medio de salentamiento complementario. Alternativamente, también se puede agregar combustible a la sorriente 106 y quemado en el lado de alimentasión del módulo de transporte de iones. Durante la operasión, la sorriente de gas 121 enriquecida con oxígeno es agregada a la corriente de gas de alimentación 2 para hacer la corriente de gas 100 la cual es alimentada al ventilador de aire de inyecsión 5. La corriente de gas somprimido de alimentación 101 del ventilador de aire de inyessión 5 se divide en la sorriente de gas 102 la cual es alimentada a las hornillas 10 y la corriente de gas 122 la cual pasa a través de la válvula 123 y a través del cambiador de calor 52 en donde su temperatura es elevada por transferencia de calor con la corriente de gas caliente 120 enriguecida en oxígeno y la corriente de gas caliente de desperdicio 114 del módulo de transporte de iones 107 para formar la corriente de gas calentado 124. La corriente de gas 103 de las hornillas 10 se divide en la corriente de gas 105, la cual pasa a través de la válvula 109 y es agregada a la corriente de gas 124 para hacer la corriente de gas 106, y la corriente de gas 104, la cual es alimentada al alto horno 12. La corriente de gas caliente de escape 13 deja el alto ho o 12. La corriente de gas 106 es alimentada al lado del retenido 108a de la membrana transportadora de iones 108. La corriente de gas retenido 110 se divide en la sorriente de gas 111, la sual pasa a través de la válvula 115 para formar la soriente de gas de purga 119, y sorriente de gas 114. La corriente de gas combustible 117, es decir, un gas reactivo sujeto a combustión con oxígeno, es agregada opcionalmente a la corriente de gas de purga 119 y quemada eventualmente dentro del ódulo de transporte de iones 107. La sorriente de gas de purga 119 pasa a través del expansor opcional 112 en donde se resupera algo de la energía de sompresión y forma la sorriente de gas de purga 113. La sorriente de gas de purga 113 es derramada en el lado permeado 108b de la membrana transportadora de iones 108 en una diressión a sontra-sorriente al flujo en el lado de retenido 108a de la membrana transportadora de iones 108. Controlando el mezslado de la sorriente de gas 124 y la corriente de gas 105, el módulo de transporte de iones 107 puede ser mantenido a la temperatura de operación apropiada. La corriente de gas producto 120 de baja presión enriquecido con oxígeno es enfriado en el cambiador de salor 52 para formar la corriente de gas 121 enriguecido con oxígeno, la cual es inyectada a la corriente de aire de alimentación 2 para incrementar la consentrasión de oxígeno de la eorriente de aire de inyección 104. La corriente de gas de desperdicio 114 rico en nitrógeno pasa a través del expansor 56 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 116. La corriente de gas 116 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 118, la cual se desecha generalmente. La Fig. 4 es un diagrama esguemático gue muestra un proceso gue es similar al de la Fig. 3 excepto gue, en este caso, la corriente de gas rica en oxígeno del módulo de transporte de iones es enfriada y comprimida e inyectada a la sorriente de gas presurizado que entra a las hornillas más bien que ser resislada a la alimentación del ventilador de aire de inyecsión. Durante la operaeión, la corriente de gas de alimentación 2 es alimentada al ventilador de aire de inyección 5 para formar la corriente de gas eomprimido 125. La corriente de gas comprimido de alimentación 125 del ventilador de aire de inyección 5 se divide en la corriente de gas 126 y la sorriente de gas 131 la eual pasa a través del compresor de refuerzo opcional 132 para formar la sorriente de gas 133 la sual pasa a través del eambiador de salor 52 en donde su temperatura es elevada por transferensia de salor son la sorriente de gas saliente 146 enrigueeido con oxígeno y la corriente de gas caliente de desperdicio 152 del módulo de transporte de iones 136 para formar la sorriente de gas salentado 134. La sorriente de gas 126 es mezelada son la sorriente de gas 151 enriquecido con oxígeno para formar la corriente de gas 127 la cual es alimentada a las hornillas 10. La eorriente de gas 128 de las hornillas 10 se divide en la eorriente de gas 130, la sual pasa a través de la válvula 155 y es agregada a la eorriente de gas calentadol34 para formar la sorriente de gas 135, y la sorriente de gas 129, la cual es alimentada al alto horno 12. La eorriente de gas saliente de escape 13 deja el alto horno. La corriente de gas 135 es alimentada al lado de retenido 138a de membrana transportadora de iones 138. La corriente de gas retenido 140 se divide en la corriente de gas 141 y la corriente de gas 152. La corriente de gas 141 pasa a través de la válvula 153 para formar la corriente de gas 153 que a su vez pasa a través del expansor opcional 144 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas de purga 145. La corriente de gas combustible 142, es desir, un gas reactivo sujeto a combustión son oxígeno, es agregado opcionalmente a la corriente de gas de purga 143 y quemada eventualmente dentro del módulo de transporte de iones 136. La corriente de gas de purga 145 es derramada sobre el lado permeado 138b de la membrana transportadora de iones 138 en una direcsión a sontra-sorriente al flujo en el lado de retenido 138a de la membrana transportadora de iones 138. Controlando el mezelado de la sorriente de gas 130 y la sorriente de gas 134, el módulo de transporte de iones 136 puede ser mantenido a la temperatura de operación apropiada. La corriente de gas producto 146 de baja presión enriguesida son oxígeno es enfriada en el sambiador de salor 52 para formar la corriente de gas 147 enriguecida con oxígeno, la cual es enfriada por el enfriador 148 para formar la corriente de gas 149. La corriente de gas 149 es comprimida por el compresor 150 para formar la corriente de gas 151 la cual es inyectada a la corriente de gas 126 para insrementar la sonsentrasión de oxígeno de la sorriente de aire de inyección 129. La corriente de gas de desperdicio 152 risa en nitrógeno pasa a través del expansor 56 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 154. La corriente de gas 154 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 156, la cual se desecha generalmente. La Fig. 5 es un diagrama esguemático que muestra un proceso en donde se usa un compresor separado de aire para presurizar la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones. Este proceso podría ser usado suando es imposible o impráctico obtener aire presurizado del ventilador de inyecsión de aire. Este proceso es similar por lo demás al de la Fig. 4. Durante la operación, la corriente de gas de alimentación 2 es alimentada al ventilador de inyección de aire 5 para formar la corriente gas eomprimido 160. La corriente de gas comprimido 160 se mezela son la sorriente de gas 192 enriquecida con oxígeno para formar la eorriente de gas 162 la eual es alimentada a las hornillas 10. La segunda sorriente de gas de alimentaeión 168 es pasada a través del sompresor 169 para formar la sorriente de gas 170. La sorriente de gas 170 pasa a través del eambiador de ealor 52 en donde su temperatura es elevada por transferensia de salor son la sorriente de gas ealiente 187 enriquesida con oxígeno y la sorriente de gas saliente de desperdisio 194 del módulo de transporte de iones 176 para formar la sorriente de gas salentado 172. La sorriente de gas 164 de las hornillas 10 se divide en la sorriente de gas 166, la sual pasa a través de la válvula 167 y es agregada a la corriente de gas calentado 172 para formar la sorriente de gas 174, y la corriente de gas 165, la cual es alimentada al alto horno 12. La corriente de gas caliente de escape 13 sale del alto horno 12. La corriente de gas 174 es alimentada al lado del retenido 178a de la membrana transportadora de iones 178. La corriente de gas retenido 180 se divide en la corriente de gas 182 y la corriente de gas 195. La corriente de gas 182 pasa a través de la válvula 181 para formar la corriente de gas 184 la cual a su vez pasa a través del expansor 185 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas de purga 186. La corriente de gas combustible 183, es decir, un gas reactivo sujeto a combustión con oxígeno, es agregada opcionalmente a la sorriente de gas de purga 184 y gueada eventualmente dentro del módulo de transporte de iones 176. La sorriente de gas de purga 186 es derramada sobre el lado permeado 178b de la membrana transportadora de iones 178 en una direesión a sontra-sorriente del flujo en el lado del retenido 178a de la membrana transportadora de iones 178. Controlando el mezslado de la corriente de gas 166 y la corriente de gas 172, el módulo de transporte de iones 176 puede ser mantenido a la temperatura de operaeión apropiada. La corriente de gas producto 187 de baja presión enriguecida con oxígeno es enfriada en el cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 188 enriquecida con oxígeno, la cual es enfriada por el enfriador 189 para formar la corriente de gas 190. La corriente de gas 190 es comprimida por el compresor 191 para formar la corriente de gas 192 la sual es inyectada a la corriente de gas 160 para incrementar la consentración de oxígeno de la corriente de aire de inyección 165. La corriente de gas de desperdicio 194 rica en nitrógeno pasa a través del expansor 56 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 195. La corriente de gas 195 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 196, la cual se desecha generalmente. Debe notarse gue el proceso de transporte de iones descrito en las Figs. 1, 2, 3, 4 y 5 produce aire enriguecido con oxígeno más bien gue oxígeno puro. Esto es una ventaja ya que es difícil manejar oxígeno puro con seguridad, particularmente a presión y temperatura elevadas, y el proceso de transporte de iones es inherentemente un proceso de alta temperatura. El proceso de transporte de iones tiene un factor infinito de separación para oxígeno, pero para aplicaciones que requieren aire enriquecido con oxígeno en lugar de oxígeno puro, es más eficiente purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones y reducir la presión parcial de oxígeno que producir oxígeno puro y diluirlo después.

Con el fin de describir cuantitativamente las ventajas y eficiencias relativas de los procesos alternos descritos en las Figs. 1, 2, 3 y 4, a sontinuación se proporcionan ejemplos. EJEMPLOS Algunos de los modos preferidos de operar de la invención pueden ser ilustrados además por medio de ejemplos en donde los regímenes, somposisiones y temperaturas de los flujos de las sorrientes del proseso están balanseados para sondisiones de operasión hipotéticas, usando modelos gue han sido desarrollados para el módulo de transporte de iones.

Para todos estos ejemplos que siguen, las especificaciones de operación son: TABLA I Ejepplo 1 Este ejemplo es el proceso descrito en la Fig. 1, en donde la corriente de gas de purga es hecha mezclando algo del aire de inyecsión saliente despresurizado con algo de la corriente de gas de alimentación despresurizado del módulo de transporte de iones. Asumiendo una eorriente de gas retenido que sontiene 10% de oxígeno y una purga son relasión al retenido de 25%, se obtienen los siguientes parámetros de operaeión, somo se muestra en la Tabla E-l. No se usó sombustible agregado en este ejemplo. Tabla E-l (ver Fig. 1) En el ejemplo 1 , el 68% del oxígeno contenido en la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones es recuperado en la corriente de gas permeado a una concentración de oxígeno de 60%. El área de membrana transportadora de iones que se requiere para la separación es de 1,657 m2. Se requiere el ventilador de inyección de aire para ccmprj-mir aproximadamente 4,765 m- piin estándar para producir 2,837 m-ypiin estándar de aire enriquecido con oxígeno (26% de oxígeno) para el alto horno. La corriente de gas retenido de 1,353 pr/min estándar puede ser expandida a través de una turbina para recuperar algo de la energía de compresión requerida por el ventilador de inyesción de aire. Asumiendo una eficiencia adiabática de 85% para el ventilador y la turbina, las potensias computadas son: Potencia agregada requerida para el ventilador: 6,706 kW Potencia recuperada por la turbina: 4,397 kW Potensia neta agregada: 2,309 kW En este ejemplo, la energía de sompresión perdida en la despresurización de las corrientes de gas tomadas para la purga de la membrana transportadora de iones no se recupera. La potencia podría ser disminuida pasando el gas que va a usarse como una purga a través de un expansor opcional, como se muestra en la Fig. 1. Ejemplo 2 Se asume en el ejemplo 1 gue el ventilador de aire de inyecsión tiene la capacidad de manejar el flujo adicional de la corriente de gas del módulo de transporte de iones y puede tolerar con seguridad la consentración incrementada de oxígeno. Estos problemas son evitados en el Ejemplo 2 el cual es el proceso descrito en la Fig. 2. Aguí, el producto enriguecido con oxígeno de la etapa de transporte de iones es comprimido en un compresor separado, más bien que por el ventilador de inyección de aire como en el ejemplo 1. La temperatura del módulo de transporte de iones se mantiene tomando otra vez algo del aire caliente de inyecsión pero, en este ejemplo, es mezslado con la sorriente de gas de alimentasión del módulo de transporte de iones y una porción de la sorriente de gas resultante es expandida y usada para la purga a contra-sorriente. Asumiendo otra vez una sorriente de gas retenido sonteniendo 10% de oxígeno y una relasión de purga a retenido del 25%, se obtienen los siguientes parámetros de operaeión, ccmo se muestran en la Tabla E-2. No se usó combustible agregado en este ejemplo. Tabla E-2 (ver Fig. 2) * metros súbisos por minuto al nivel del mar.

En el ejemplo 2, el 59% del oxígeno sontenido en la sorriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones es recuperado en la sorriente de gas permeado a una concentración de oxígeno de 50.5%. El área de membrana de transporte de iones requerida para la separación es de 957m2. Se requiere el ventilador de inyección de aire para ccmprimir aproximadamente 4,165 mcmnm para producir 2.833 mcmnm de aire enriquecido son oxígeno (26% de oxígeno) para el alto horno. Una vez más la corriente de gas retenido de 1,326 mcmnm puede ser expandida a través de una turbina para recuperar algo de la energía de compresión requerida por el ventilador de inyecsión de aire. Asumiendo una efisiencia adiabática de 85% para el ventilador y la turbina, las potencias computadas son: Potencia agregada requerida para el ventilador: 4,590 kW Potencia para el compresor de produsto del transporte de iones: 1,821 kW Potensia resuperada por la turbina: 4,783 kW Potensia neta agregada: 1,629 kW Corto en el ejemplo 1, alguna energía adicional podría ser resuperada pasando el gas para ser usado somo una purga a través de un expansor opcional, como se muestra en la Fig. 2. los cálculos muestran que esta modalidad requiere menos área de membrana transportadora de iones y consume menos energía gue la del ejemplo 1, pero el proceso del ejemplo 2 requiere un compresor y enfriador adicionales. El área de membrana podría ser reducida además comprimiendo la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones a una presión más alta en el compresor (opcional) mostrado en la Fig. 2. Ejemplo 3 Este ejemplo es el proceso descrito en la Fig. 3, en donde la corriente de gas de purga es tomada de la corriente de gas retenido rico en nitrógeno. Cato en el Ejemplo 1, el permeado rico en oxígeno es reciclado a la sorriente de gas de alimentasión para el ventilador de aire de inyecsión. Asumiendo una sorriente de gas retenido que sontiene 5% de oxígeno y una relaeión de purga a retenido de 20%, se obtienen los siguientes parámetros de operasión, como se muestran en la Tabla E-3. Tabla E-3 (ver Fig. 3) En el ejemplo 3, la caida de presión a través de las hornillas se ha omitido. La concentración de oxígeno de la corriente de gas permeado es de 60%; y 85% del oxígeno contenido en la corriente de gas de alimentasión del módulo de transporte de iones es resuperado. El área de membrana de transporte de iones requerida para la separasión es de 1,823 m2. El ventilador de aire de inyessión se requiere para comprimir aproximadamente 4,284 mcmnm para produsir 2,837 msmnm de aire enriquecido son oxígeno (26% de oxígeno) para el alto horno, pero la sorriente de gas de desperdisio de 908 msmnm puede ser expandida para recuperar algo de la energía de ecmpresión. Suponiendo una eficiencia adiabática de 85% para el ventilador y la turbina, las potencias computadas son: Potencia agregada requerida para el ventilador: 5,039 kW Potencia recuperada por la turbina: 3,511 kW Potencia neta agregada 1,528 kW En este caso, la energía de compresión es perdida en la despresurizasión de la poreión de la sorriente de gas retenido gue se toma de la eorriente de gas de purga del transporte de iones. Algo de esta energía puede ser resuperada pasando esta corriente de gas a través de un expansor en lugar de una válvula. Ejemplo 4 En este ejemplo (Fig. 4), parte del retenido es usado como la corriente de gas de purga del transporte de iones, como en el Ejemplo 3, pero el permeado rico en oxígeno es comprimido por separado y reinyectado a la alimentación de las hornillas, como en el ejemplo 2, en lugar de ser « reciclado a través del ventilador de aire de inyección. Suponiendo otra vez una corriente de gas retenido conteniendo 5% de oxígeno y una relación de purga a retenido de 20%, se obtienen los siguientes parámetros de operación, como se muestran en la Tabla E-4. Tabla E-4 (ver Fig. 4) En este ejemplo, la consentrasión de oxígeno en la corriente de gas permeado es de 53.7% y 81% del oxígeno contenido en la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones es recuperado. El área de membrana de transporte de iones reguerida para la separación es de 1,340 ? . El ventilador de aire de inyección se requiere para comprimir aproximadamente 3,748 mcmnm para producir 2,837 mcmnm de aire enriquecido con oxígeno (26% de oxígeno) para el alto horno, pero la corriente de gas de desperdicio de 908 me-mnm puede ser expandida para recuperar algo de la energía de compresión. Suponiendo una eficiencia adiabática de 85% para el ventilador y la turbina, las potencias computadas son: Potencia agregada requerida para el ventilador: 3,144 kW Potencia para el compresor del módulo de transporte de iones: 1,613 kW Potencia recuperada por la turbina: 3,276 kW Potencia neta agregada: 1,481 kW Otra vez, la energía de compresión es perdida en la despresurización de la poreión de la sorriente de gas retenido que se toma para la purga de la membrana de transporte de iones. Algo de esta energía puede ser resuperada pasando esta sorriente de gas de purga a través de un expansor en lugar de una válvula. Comparando los resultados de estos ejemplos, las potencias netas y las áreas de membrana de transporte de iones son menores para los procesos (Ejemplos 2 y 4) en donde el permeado enriquecido con oxígeno del módulo de transporte de iones es comprimido separadamente e inyectado a la corriente de gas de alimentación a las hornillas, en lugar de ser recislado a la alimentasión del ventilador de aire de inyección (Ejemplos 1 y 3). Estos procesos, sin embargo, requieren equipo de compresión adicional y un enfriador. Cuando el ventilador de aire de inyección existente tiene capasidad en exseso, los procesos de los Ejemplos 2 y 4 pueden ser usados ventajosamente, de otro modo pueden ser preferidos los procesos de los Ejemplos 1 y 3. No se ha hecho ningún intento para optimizar los parámetros de operación, gue dependen de los costos comparativos y otros factores económisos. Estos son sólo algunos ejemplos de muchos que podrían ser desarrollados. Todos estos procesos son novedosos porque utilizan corrientes de gas de purga tomadas de la corriente de gas de alimentación del módulo de transporte de iones o de la corriente de gas retenido. Esto es inusual en la tecnología de separación de gases porque el permeado rico en oxígeno es diluido deliberadamente por la purga. Estos métodos tienen éxito y son altamente eficientes porque solamente se requiere un enriquecimiento con oxígeno modesto y la dilueión del permeado mejora la fuerza impulsora para la penetrasión de oxígeno. Estos ejemplos también muestran que el uso del retenido para purga (Ejemplos 3 y 4) disminuye el requerimiento de poteneia, pero insrementa el área de membrana requerida, somparado con el uso de la corriente de gas de alimentasión para purga (Ejemplos 1 y 2). Resientemente, los procesos preferidos dependerán de eonsideraciones económisas. En donde hay una nesesidad de un so-produsto de nitrógeno, los procesos de los Ejemplos 3 y 4 son ventajosos, y el Ejemplo 4 representa el proceso preferido. Aungue la corriente de gas retenido en los Ejemplos 3 y 4 contiene 5% de oxígeno, los procesos pueden ser alterados para lograr una recuperación de cerca del 100% de oxígeno y producir nitrógeno casi puro en la corriente de gas retenido. Cuando se desea nitrógeno puro, puede ser ventajoso usar una segunda etapa de transporte de iones impulsada eléctrisamente o impulsada por presión para refinar la corriente de gas de desperdicio eliminando trazas de oxígeno del producto final de nitrógeno puro. Todos estos Ejemplos han de ser considerados como modalidades preferidas de la inveneión. Como ha sido mencionado, los modos preferidos de operación de la invención incorporan un proceso de transporte de iones impulsado a presión en donde el lado permeado de la membrana transportadora de iones es purgada. Ejemplos de estos procesos han sido descritos e ilustrados en las Figs. 1, 2, 3 y 4. Si no es práctico usar una corriente de gas de purga, es aun posible, sin embargo, extraer oxígeno del aire mediante el proseso de transporte de iones. Sin embargo, el produsto de baja presión es oxígeno puro y esto requiere que la corriente de gas de alimentación esté a una presión relativamente alta con el fin de impulsar el proceso de transporte de oxígeno. Un ejemplo de tal proceso impulsado a presión se muestra en la Fig. 6. En la Fig. 6, el producto oxígeno es inyectado en la sorriente de aire de alimentasión a las hornillas. Alternativamente, el oxígeno podría ser inyectado al aire caliente de inyecsión de las hornillas, somo se muestra por la trayectoria opcional. Los procesos dessritos en estos esquemas requieren que el módulo de transporte de iones opere a alta presión son el fin de produsir aire enriquesido son oxígeno a 3.52-4.22 kcmea (k/cm2 absolutos). Durante la operación, la corriente de gas 225 es agregada opsionalmente a la sorriente de gas de alimentación 2 para formar la corriente de gas 198 la cual es alimentada al ventilador de aire de inyección 5. La corriente de gas comprimido de alimentación 200 del ventilador de aire de inyección 5 se divide en la corriente de gas 202 y en la corriente de gas 206 la cual pasa a través del enfriador 207 para formar la sorriente de gas 208 que pasa a través del sompresor 209 y el sambiador de salor 52 en donde es elevada su temperatura por transferensia de salor son la corriente de gas saliente 214 enriquesido son oxígeno y la sorriente de gas caliente de desperdicio 218 del módulo de transporte de iones 211 para formar la sorriente de gas calentado 210. La sorriente de gas 202 se mezela son la sorriente de gas enriquesido son oxígeno 228 para formar la sorriente de gas 203 la sual es alimentada a las hornillas 10. La sorriente de gas 227 puede ser agregada opsionalmente a la sorriente de gas 204 para formar la sorriente de gas 205 la sual es alimentada al alto horno 12. La eorriente de gas saliente de essape 13 sale del alto horno 12. La eorriente de gas 210 es alimentada al lado del retenido 212a de la membrana transportadora de iones 212. La corriente de gas 214 gue sale del módulo de transporte de iones 211 es enfriada en el cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 224 enriquecido con oxígeno. Opcionalmente, por lo menos una porción de la corriente de gas 224 enriguecido con oxígeno es agregada coo corriente de gas 225 a la corriente de gas de alimentación 2. La sorriente de gas 224 es enfriada en el enfriador opsional 246 para formar la sorriente de gas 226. Opsionalmente, por lo menos una porsión de la corriente de gas 226 enriguecido con oxígeno es agregada como corriente de gas 227 a la corriente de gas 204; la corriente de gas 247 es pasada a través del compresor de refuerzo opcional 248 para obtener la corriente de gas 228. La corriente de gas 228 es inyectada a la corriente de gas 202 para incrementar la concentración de oxígeno de la corriente de aire de inyecsión 205. La corriente de gas de desperdicio 216 risa en nitrógeno, es pasada a través del quemador 36 en donde se agrega la corriente de gas combustible 34 y tiene lugar la combustión. Esto permite que la temperatura de la sorriente de gas de desperdisio 216 sea insreentada mediante la adieión de una pequeña cantidad de combustible. Alternativamente, el quemador podría ser colocado en la sorriente de gas de alimentasión al módulo de transporte de iones 211, pero esto disminuye la presión parsial de oxígeno antes de la separasión y reduee la efisiensia de la etapa de transporte de iones. La sorriente de gas de desperdisio 218 pasa a través del expansor 56 en donde algo de la energía de compresión es recuperada para formar la corriente de gas 220. La sorriente de gas 220 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 222, la cual es desechada generalmente. El equipo opcional en la Fig. 6 muestra como se obtiene la diferencia de presión gue impulsa el proceso de transporte de iones mediante el bombeo de la corriente de gas de oxígeno producto, en lugar de comprimir la corriente de gas de alimentación. Es obvio que el proceso podría ser sombinado y podrían usarse compresores (bombas) en las corrientes de gases de alimentación y en las corrientes de gases producto simultáneamente. Tales modificaciones de los ejemplos aguí suministrados, así como otras, están en el campo de la destreza de aguellos expertos en el arte. Materiales útiles para la membrana transportadora de iones se muestran en la Tabla II.

Aunque los procesos como se describieron antes requieren el uso de sonductores sólidos mixtos corro la membrana en el módulo de transporte de iones, también es posible, en principio, emplear condustores meramente iónicos en unnodo de impulsión eléetrisamente. Una membrana de transporte de iones impulsada eléstricamente no sólo produse oxígeno puro sino permite que la sorriente de gas de oxígeno puro sea comprimida a una presión elevada adesuada por aplicasión de un voltaje sufisiente. Alternativamente, el oxígeno puede ser produsido a una presión menor, redusiéndose así el voltaje requerido. Las podificasiones nesesarias para sonvertir un proseso impulsado a presión a un proceso impulsado oléstrisamente serán obvias a aquellos expertos en el arte. Por ejemplo, ia Fig. 7 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que muestra un nodulo de transporte de iones impulsado eléstrisamente combinado con una operaeión de alto horno en donde la sorriente de gas permeado es agregada directamente a la sorriente de gas salentado gue se inyecta al alto horno. Durante la operación, la sorriente de gas de alimentasión 2 es alimentada al ventilador de aire de inyección 5. La corriente de gas comprimido de alimentación 292 proveniente del ventilador de aire de inyección 5 se divide enla corriente de gas 299 y la corriente de gas 293. La corriente de gas oxígeno 309 es agregada opcionalmente a la corriente de gas 293 para formar la corriente de gas 290. La corriente de gas 299 se pasa a través del cambiador de calor 52 en donde su temperatura es elevada por transferencia de calor con la corriente de gas caliente de desperdicio 313 y, opcionalmente, con la corriente de gas caliente enriguecida con oxígeno 308 y proveniente del módulo de transporte de iones 302 para formar la sorriente de gas saliente 300. La sorriente de gas 290 es alimentada a las hornillas 10 y sale cono la sorriente de gas saliente de alimentasión 294 la sual se divide en la sorriente de gas 297 y la corriente de gas 295. La corriente de gas 297 se agrega a la corriente de gas 300 para obtener la eorriente de gas 301. La sorriente de gas 301 es alimentada al lado del retenido 304a de la membrana transportadora de iones 304. La sorriente de gas oxígeno 306 que sale del módulo de transporte de iones 302 o se convierte en la corriente de gas oxígeno 308 (mostrada en linea punteada) o en la corriente de gas oxígeno 310. La corriente de gas oxígeno 308, si se hace, es enfriada en el cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas oxígeno 309 la cual se agrega a la corriente de gas 293, como se dijo antes. La corriente de gas oxígeno 310, si se hace, se mezcla con la corriente de gas caliente 295 para formar la corriente de gas 296 enriguecida con oxígeno la cual se alimenta al alto horno 12. La corriente de gas caliente de escape 13 sale del alto horno 12. La corriente de gas de desperdicio 312 rico en nitrógeno se pasa a través del guemador opcional 36 en donde la corriente de gas combustible 34 es agregada y tiene lugar la combustión para formar la corriente de gas 313. Esto permite gue la temperatura de la corriente de gas de desperdicio 312 sea incrementada agregando una pequeña cantidad de combustible. Alternativamente, el quemador podría ser colocado en la corriente de gas de alimentación al módulo de transporte de iones 302, pero esto disminuye la presión parcial de oxígeno antes de la separación y reduce la eficiencia de la etapa de transporte de iones. La corriente de gas de desperdicio 313 pasa a través del expansor 56 en donde se recupera algo de la energía de compresión para formar la sorriente de gas 314. La sorriente de gas 314 pasa a través del cambiador de salor 52 para formar la sorriente de gas 316, la cual se desecha generalmente. La Fig. 8 es un diagrama esquematico de una modalidad de la inveneión que muestra un módulo de transporte de iones combinado son una operasión de alto horno en donde una porsión del aire proveniente del ventilador de aire de inyessión es desviada al proseso de transporte de iones. Durante la operasión, la sorriente de gas de alimentasión 2 se alimenta al ventilador de aire de inyecsión 5 para formar la sorriente de gas eomprimido de alimentasión 311 la sual se divide en la sorriente de gas 312 y la corriente de gas 352. La sorriente de gas 312 se divide en la sorriente de gas 310 y la sorriente de gas 313 la sual pasa a través del sompresor 314 para formar la eorriente de gas 316. La sorriente de gas 316 y la corriente de gas 310 cada una son pasadas a través del cambiador de calor 52 en donde sus temperaturas son elevadas por transferencia de calor con la corriente de gas caliente 328 enriguecida con oxígeno y la corriente de gas caliente de desperdicio 342 proveniente del módulo de transporte de iones 321 para formar la corriente de gas calentado 318 y la sorriente de gas salentado 308, respectivamente. La corriente de gas 352 se mezcla son la sorriente de gas 338 enriquecido con oxígeno para formar la corriente de gas 353 la cual es alimentada a las hornillas 10. La corriente de gas 304 que sale de las hornillas 10 es mezclada con la corriente de gas 308 para formar la corriente de gas 306 la cual es alimentada al alto horno 12. La corriente de gas caliente de escape 13 sale del alto horno 12. La corriente de gas 318 se divide en la corriente de gas 319 y la corriente de gas 326. La corriente de gas 319 es alimentada al lado del retenido 322a de la membrana transportadora de iones 322. La sorriente de gas 326 pasa a través de la válvula 325 y, opsionalmente, del expansor de energía 28 para formar la sorriente de gas 324. La corriente de gas 324 se usa para purgar el lado permeado 322b de la membrana transportadora de iones 322. La eorriente de gas 328 que sale del módulo de transporte de iones 321 es enfriada enel sambiadorde calor 52 para formar la corriente de gas enriguecido con oxígeno 330. La corriente de gas enriquecido con oxígeno 330 es enfriada en el enfriador 332 para formar la corriente de gas 334. La corriente de gas 334 es pasada a través del compresor de refuerzo 336 para obtener la corriente de gas 338 la cual, como se dijo antes, es mezclada con la corriente de gas 352 para incrementar la consentrasión de oxígeno de la sorriente de aire de inyessión 306. La sorriente de gas de desperdisio rico en nitrógeno 340, es pasada a través del guemador opcional 36 en donde la corriente de gas combustible 34 es agregada y tiene lugar la combustión. Esto permite gue la temperatura de la corriente de gas de desperdicio 340 sea incrementada agregando una pequeña cantidad de sombustible. La sorriente de gas de desperdisio 342 pasa a través del expansor 56 en donde se resupera algo de la energía de compresión para formar la corriente de gas 343. La corriente de gas 343 pasa a través del cambiador de calor 52 para formar la corriente de gas 344, la cual es desechada generalmente. La energía recuperada de la corriente de gas de desperdicio por medio de un expansor o una turbina puede ser usada para compensar parcialmente los requerimientos para la compresión del aire de alimentaeión y, cono se mostró antes, la energía puede ser substaneial. Deberá notarse que si se emplea una turbina produstora de energía para recuperar energía de la expansión de la sorriente de desperdicio risa en nitrógeno, la turbina deberá ser colocada en una región de temperatura más alta que lo que indican la mayoría de las figuras. La temperatura ideal de admisión de la turbina sería de alrededor de 705 C, lo que permitiría el uso de expansores de gas razonablemente baratos. Estos esquemas descritos en las figuras podrían ser mejoradas y la eficiensia de la energía del proseso global también. Por ejemplo, los procesos impulsados eléctrisamente dessritos en las Figs. 7 y 8 podrían ser operados con una purga del lado permeado, usando un gas son una baja presión parsial de oxígeno, son el fin de reducir el potensial de Nernst y la energía eléctrica requerida. Debe' notarse también que, aunque los esquemas de las Figs. 7 y 8 parecen simples, los procesos impulsados eléctricamente son más complejos para diseñar y fabricar gue los procesos impulsados a presión. Los procesos eléctricos tienen también la desventaja de consumir grandes cantidades de energía eléctrica. Por lo tanto, para el propósito de esta invención, son preferidos los procesos impulsados a presión. También será aparente que el control de la temperatura depende de la temperatura en el extremo tibio del cambiador de calor. En ciertas circunstancias, puede ser posible operar estos procesos sin el cambiador de calor, siendo obtenida la temperatura de alimentación apropiada para el módulo de transporte de iones simplemente mezclando apropiadamente el aire del ventilador de aire de inyección con el aire caliente de inyección. También debe ser puntualizado que puede ser usado un módulo de transporte de iones cono el quemador en cualesquiera de las Figuras. Los arreglos de purga reactiva están descritos en "Purga Reastiva para Separasión de Gases son Membrana de Electrolito Sólido", Serie No. 08/567,699 de E.U. presentada el 5 de Disiembre de 1995 e incorporada en la presente por referensia. Las sonfigurasiones preferidas para los nodulos de transporte de iones que utilizan una purga reaetiva son deseritas en "Diseño de Reastor de Condustor Iónico de Electrolito Sólido" Serie No. (Attorney Docket No. D-20352)de E.U. presentada el 29 de Abril de 1997 y también incorporada a la presente por referencia. Ambas solicitudes son de propiedad común son la presente solisitud. Como se dijo antes, los términos "sondustor iónico de electrolito sólido", "membrana transportadora de iones de electrolito sólido", "electrolito sólido" o "membrana de transporte de iones" son usados generalmente en la presente para designar ya sea un sistema de tipo ónico (impulsado eléctricamente ) o un sistema de tipo conductor mixto (impulsado a presión) a menos gue se especifigue otra cosa. El término nitrógeno como se usa en la presente significa usualmente gas agotado en oxígeno, es decir, agotado en oxígeno con relación al gas de alimentación. Como se discutió antes, la membrana transportadora de iones solamente permite la penetración por el oxígeno. Por lo tanto, la composisión del retenido dependerá de la composición del gas de alimentación. El gas retenido será agotado en oxígeno, pero retendrá nitrógeno y cualesguiera otros gases (por ejemplo, argón) presentes en el gas de alimentasión. El significado del término será claro para el experto en el arte en el contexto del uso del término a la luz de la invención como se describe en la presente. Cono se usa en la presente el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque se ensuentra típieamente en forma diatómica, el oxígeno elemental incluye áto os sencillos de oxígeno, ozono triatómico y otras formas sin combinar son otros elementos. El término "alta pureza" se refiere a una sorriente de gas produsto que contiene menos de cinso por siento en volumen de gases indeseables. Preferiblemente, el producto 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 ausensia de gases indeseables. Pueden ser usadas muchas variaciones alternativas de elementos físicos tales como cambiadores de calor inter-sistemas e ínter-etapas, inter-enfriadores, salentadores y otros eguipos gue se requieren para la prástisa de la invención en cualquier forma apropiada en esta invención. El uso de estos elementos, por ejemplo, los cambiadores de calor aquí descritos, con frecuensia aumentan la efisiencia energética del proceso global. Tales componentes y su operación son bien conocidos en el arte y en la práctisa de separasión de gases y procesamiento de gases y su uso apropiado en la presente invención será entendido por aguellos expertos en el arte. Aspectos espeeífieos de la invención se muestran en uno o más de 'os dibujos para conveniensia solamente, ya gue cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, se pueden hacer varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Modalidades alternas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte y se pretende que sean incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para enriquecer son oxígeno una primera sorriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y por lo menos algún otro gas para ser alimentada a un alto horno utilizando una corriente de gas oxígeno puro o una corriente de gas enriquecido con oxígeno obtenida a partir de una segunda sorriente de gas de alimentaeión gue sontiene oxígeno elemental y por lo menos algún otro gas, el proseso comprendiendo: comprimir la primera corriente de gas de alimentación; separar la segunda corriente de gas de alimentasión usando un ódulo de transporte de iones que sontiene una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para producir una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriquesido con oxígeno en el lado permeado; calentar por lo menos la primera corriente de gas de alimentación antes de inyectarla al alto horno; y agregar la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriguecido con oxígeno a la primera corriente de gas de alimentación en cualguier ubicación antes gue entre la primera corriente de gas de alimentación al horno.
2. 2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde el horno es un alto horno.
3. 3. El proceso de acuerdo con la reivin icación 1 en donde la segunda corriente de gas de alimentación comprende por lo menos una porción de la primera corriente de gas comprimido de alimentación o una corriente de gas comprimido de alimentación enriquecido con oxígeno.
4. 4. El proceso de acuerdo son la reivindisasión 1 en donde por lo menos una porsión de la corriente de gas agotado en oxígeno se usa ccmo una sorriente de purga para purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones.
5. 5. El proceso de acuerdo con la reivindisasión 1 en donde una porsión de la primera sorriente de gas, después de ser ealentada, es dirigida al lado de retenido de la membrana transportadora de iones para componer la segunda corriente de gas de alimentasión.
6. 6. El proseso de asuerdo son la reivindieasión 5 en donde dicha porción de la primera sorriente de gas salentado es agregada a una corriente de gas adicional para somponer la segunda corriente de gas de alimentaeión.
7. 7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la segunda corriente de gas de alimentación es calentada por transferencia de salor de la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriquecido con oxígeno y la corriente de gas agotado en oxigeno a la segunda corriente de gas de alimentación.
8. 8. El proeesod de asuerdo a la reivindisasión 7 en donde la sorriente de gas oxígeno puro o la sorriente de gas enriguesido con oxígeno es enfriada y además comprimida por un compresor de refuerzo después gue la corriente de gas oxígeno puro o la corriente de gas enriquecido con oxígeno es sometida a un intercambio de calor.
9. 9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 7 en donde una corriente de gas combustible es agregada a la corriente de gas agotado en oxígeno para combustión antes que la corriente de gas agotado en oxígeno sea sometida a intercambio de calor.
10. 10. El proceso de acuerdo con la reivindicasión 1 en donde un expansor de energía es usado para recuperar energía de la corriente de gas agotado en oxígeno.