MXPA98009619A - Sistemas de conductor ionico de electrolito solido para produccion de oxigeno, nitrogeno y/o dioxido de carbono con turbina de gas - Google Patents

Abstract

Un proceso para producir por lo menos una corriente de gas producto oxígeno, y energía de una turbina a gas, por compresión de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y calentar la corriente de gas de alimentación en el lado de retenido de una sección de membrana de reactor de transporte de iones para producir una corriente de gas de alimentación calentado. El oxígeno que permea la sección de membrana de reactor de transporte de iones se hace reaccionar con una primera corriente de gas combustible para producir una primera corriente de gases productos de combustión. La corriente de gas de alimentación calentado es separada usando una sección de membrana separadora de transporte de iones que tiene un lado retenido y un lado de permeado en una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado retenido y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado permeado. Por lo menos una porción de la primera corriente de gases productos de combustión puede ser recuperada, y es extraída energía de por lo menos una corriente de gas a ser expandida en una turbina a gas para producir energía.

Description

SISTEMAS DE CONDUCTOR IÓNICO DE ELECTROLITO SOLIDO PARA PRODUCCIÓN DE OXIGENO. NITRÓGENO Y/O DIÓXIDO DE CARBONO CON TURBINA A GAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere al uso de membranas conductoras iónicas de electrolito sólido en sistemas de separación de gases. En particular, la invención se refiere al empleo de reactores de transporte de iones para generar las condiciones térmicas deseadas para la operación de un separador de transporte de iones, haciendo reaccionar una corriente de combustible con oxígeno transportado, y proveer un proceso mejorado para la co-producción de energía y oxígeno, nitrógeno y/o dióxido de carbono mediante la integración con un ciclo de energía de turbina a gas.

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. 70NANB5HIO65 otorgado por el Instituto Nacional Estándares y Tecnología. El Gobierno de los Estados Unidos tiene ciertos derechos en la invención.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas de separación de oxígeno en masa no criogénicos, por ejemplo, sistemas de membranas de polímeros orgánicos, han sido usados para separar gases seleccionadas del aire y de otras mezclas de gases. El aire es una mezcla de gases que puede contener cantidades variables de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxigeno (20.9%), nitrógeno (78%), argón (0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Sin embargo, se puede hacer un tipo enteramente diferente de membrana a partir de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólido están hechas de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de circonio estabilizados con calcio o itrio y análogos teniendo una estructura de fluorita o perovskita. Aunque ei potencial de estos materiales cerámicos de óxidos como membranas de separación de gases es grande, hay ciertos problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los materiales conocidos de cerámicas de óxidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxigeno a temperaturas elevadas solamente. Usualmente, deben ser operadas muy por arriba de 500C, generalmente en el rango de 600C a 900C. Esta limitación permanece a pesar de la gran investigacißn para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido se describe con más detalle en ia Patente de E.U., No. 5,547,494, de Prasad et al., titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual es incorporada a la presente por referencia para describir más completamente el estado del arte. Las temperaturas elevadas de operación, sin embargo, hacen a los procesos de transporte de iones bien adecuados intrínsecamente para la integración con procesos de alta temperatura tales como ciclos de energía con base vapor, base gas, o combinados. Desarrollos recientes han producido óxidos sólidos que tienen la habilidad de conducir iones oxígeno a temperaturas elevadas si se aplica un potencial impulsor químico. Estos materiales conductores iónicos impulsados a presión pueden ser usados como membranas para la extracción de oxígeno de corrientes de gases que contienen oxígeno si se aplica una relación suficiente de presiones parciales de oxígeno para proveer un potencial impulsor químico. Puesto que la selectividad de estos matepales para el oxígeno es infinita y se pueden obtener flujos de oxígeno de magnitud varias veces mayor que con membranas poliméricas, se crean oportunidades atractivas para la producción de oxígeno asi como para procesos de oxidación que req uieren oxígeno, especialmente can aplicaciones que involucran temperaturas elevadas. Un ejemplo prominente son los ciclos de turbina a gas que procesan típicamente una cantidad significative de aire en exceso para mantener la temperatura de admisión de la turbina dentro de las capacidades de los materiales disponibles y por lo tanto hacen disponible oxígeno en exceso para recuperarlo como sub-producto. Algunos de los problemas clave que tienen que ser mencionados en el diseño de sistemas de membranas transportadoras de iones y su integración en ciclos de alta temperatura tales como una turbina a gas involucran maximizar las fuerzas impulsoras para transporte de iones, minimizando la resistencia a la difusión gaseosa, evitando esfuerzos excesivos de la expansión y contracción térmica y composicional y sellando los elementos de transporte de iones dentro del aparato de transporte de iones. El último problema es agravado por el hecho de que la temperatura de operación de la membrana transportadora de iones está en el rango de 500°C a 1 100°C.

Avances en el estado del arte de separación de aire usando conductores iónicos de electrolito sólido se han presentado en fa literature técnica. Por ejemplo, la Patente de E.U., No. 5,306,41 1 de Mazanec et al. , titulada "Membranas Sól idas Multi-Componentes, Componentes de Reactores Electroquímicos, Reactores Electroquímicos y Uso de Membranas, Componentes de Reactor, y Reactor para Reacciones de Oxidación", se refiere a reactores electroquímicos para hacer reaccionar un gas que contiene oxígeno con un gas que consume oxígeno y describe un reactor de cubierta y tubos con el gas que contiene oxígeno fluyendo en un lado de la membrana electrolítica sólida y el gas consumidor de oxígeno en el otro. Mazanec et al., sin embargo, no menciona publicaciones relacionadas con la integración de tales sistemas con la producción de oxígeno de ciclos de turbina a gas, administración de calor para mantener la superficies de la membrana a las temperaturas uniformes deseadas, dinámica de flujo para lograr la transferencia de masa efectiva o la necesidad de balancear la cinética de reacción con la conductividad de iones oxígeno para mantener la presión parcial de oxígeno apropiada para la estabilidad de materiales. La Patente de E.U., No. 5,565,017 de Kang et al., titulada "Producción de Oxígeno a Alta Temperatura con Generacidn de Vapor y Energía", se refiere a un sistema que integra una membrana transportadora de iones con una turbina a gas para recuperar energía de la corriente de gas retenido después que es calentada y se ha agregado vapor. La inyección de vapor o agua en la corriente no permeada del transporte de iones compensa la pérdida de la masa de oxígeno de la corriente de gas de alimentación de la turbina. La Patente de E.U., No. 5,562,754 de Kang et al., titulada "Producción de Oxígeno por Membranas Transportadoras de Iones con Utilización de Vapor", describe un sistema que integra una membrana transportadora de iones con una turbina a gas para recuperar energía de la corriente de gas retenido después que es calentado. Se agrega vapor como un gas de barrido en el lado de permeado para aumentar la recuperación de oxígeno. Una corriente que contiene una mezcla de oxígeno y vapor se produce en el lado de permeado la cual puede ser extraída como un producto. La Patente de E.U., No. 5,516,359 de Kang et al., titulada "Método de Alta Temperatura Integrado para Producción de Oxígeno", describe el calentamiento de una corriente de gas de aire de alimentación comprimido a la temperatura de operación apropiada del transporte de iones por un primer quemador el cual, en una modalidad, está insertado entre la descarga del compresor y el separador de transporte de iones. Subsecuentemente, la corriente de gas retenido del separador de transporte de iones es calentada a la temperatura de admisión de la turbina por un segundo quemador. Las temperaturas de admisión a la turbina y al separador de transporte de iones son controladas independientemente regulando los regímenes de flujo de los dos quemadores. En una configuración alterna, un cambiador de calor está colocado entre los dos quemadores, los cuales están colocados, ambos, corriente abajo del separador de transporte de iones, y la corriente de gas de aire de alimentación ai separador de transporte de iones es calentada a la temperatura correcta por este cambiador de calor. El método descrito en la patente '359 de Kang et al. , tiene la desventaja de que la corriente de gas de alimentación al separador de transporte de iones contiene productos de combustión que diluyen la corriente de gas de alimentación al separador de transporte de iones, reducen la fuerza impulsora de oxígeno y podrían actuar como un contaminante adverso para algunos materiales conductores mixtos. Debido a que algo del oxígeno contenido en el aire de alimentación es consumido en el primer quemador, la fuerza impulsora de oxígeno es además reducida. La configuración alterna tiene ia desventaja de requerir un cambiador de calor adicional, potencialmente caro. Uno u otro método podrían tener también un problema en mantener una combustión estable en el primer quemador puesto que la relación de equivalencia combustible-a-aire será baja, especialmente en donde el calor contenido en el escape de la turbina es recuperado regenerativamente por la corriente de gas de aire de alimentación y el rendimiento de calor del primer quemador es bajo. La Patente de E.U. , No. 4,545,787 de Hegarty titulada "Proceso para Producir Oxígeno Sub-Producto de la Generación de Energía por Turbina", se refiere a un proceso para generar energía neta usando una turbina de combustión, acompañada por la recuperación de gas enriquecido con oxígeno como sub-producto. El aire es comprimido y calentado, por lo menos una porción del aire es quemada y una porción del oxígeno es eliminada del aire a efluente de combustión usando un separador de aire. El efluente de combustión pobre en oxígeno es expandido a través de una turbina para producir energía. En una modalidad alterna, el efluente de la turbina se usa para producir vapor para generar energía adicional. En este proceso, el tipo de combustible está limitado generalmente a combustibles "limpios" tales como gas natural, aceites o gas de síntesis. La Patente de E.U., No. 5,035,727 de Chen titulada "Extracción de Oxígeno de Turbinas a Gas Encendidas Externamente", se refiere a un proceso para recuperar oxígeno de alta pureza de un ciclo de turbina a gas generadora de energía encendida externamente. Aunque este proceso es similar al de la patente '787 de Hegarty, Chen difiere en el uso de una turbina a gas encendida externamente de manera que pueden usarse otros tipos de combustible tales como carbono o biomasa. La Patente de E.U. , No. 5, 174,866 de Chen et al. , titulada "Recuperación de Oxígeno de Escapes de Turbina Usando Membrana de Electrolito Sól ido", y la Patente de E.U. , No. 5, 1 18,395 de Chen et al., titulada "Recuperación de Oxígeno de Escapes de Turbina Usando Membrana de Electrolito Sólido", ambas se refieren a procesos para la extracción de oxígeno puro de corrientes de escape de turbinas a gas pasando el escape de la turbina a gas sobre una membrana conductora de iones oxígeno. En estos procesos, el separador de oxígeno que emplea una membrana conductora de iones oxígeno está colocado corriente abajo de algunas o todas ias etapas de la turbina a gas, en lugar de corriente arriba como en patentes anteriores. Se propone una unidad de transporte de iones impulsada eléctricamente cuando la presión de escape de la turbina es baja. La corriente de escape del separador de oxígeno es expandida opcionalmente a través de una etapa de turbina a gas.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención proporcionar un proceso eficiente para la co-producción de energía y oxígeno, y opcionalmente nitrógeno y dióxido de carbono, y efectuar una integración mejorada de tecnología de transporte de iones con un ciclo de energía de turbina a gas. Es también un objetivo de la invención permitir la coproducción de dióxido de carbono, con agua como la mayor impureza, y nitrógeno de alta pureza. Es aun otro objetivo de la invención maximizar la recuperación de oxígeno, especialmente en aquellos casos en donde ambos co-productos dióxido de carbono y oxígeno son deseados.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un proceso para producir por lo menos una corriente de gas producto oxígeno, y energía de una turbina a gas, comprimiendo una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, calentando después la corriente de gas de alimentación usando una reacción combustible-oxígeno con una sección de membrana del reactor de transporte de iones y produciendo con esto una corriente de gas de alimentación calentado. Preferiblemente, el oxígeno que permea la sección de membrana del reactor de transporte de iones se hace reaccionar en una primera zona de permeado con una primera corriente de gas combustible para producir una primera corriente de gases productos de combustión. La corriente 5 de gas de alimentación calentado se separa en una carriente de gas agotado en oxígeno en un lado de retenido de una sección de membrana del separador de transporte de ¡ones y una corriente de gas producto oxígeno en el lado de permeado de la sección de membrana del separador. Por lo menos una porción de la primera corriente de gases productos de combustión puede ser recuperada y es extraída energía de por lo menos una corriente de gas a ser expandida, tal como la corriente de gas agotado en oxígeno, después que esa corriente a ser expandida ha sido calentada directa o indirectamente por la primera reacción de la zona de permeado, en una turbina a gas para producir energía. En una modalidad preferida de la invención, la corriente de gas agotado en oxígeno se hace reaccionar en un quemador con una corriente de gas combustible para producir una segunda corriente de gases productos de combustión. En otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la primera corriente de gases productos de combustión se combina con por lo menos una porción de la corriente de gas agotado en oxígeno del lado de retenido de la sección de membrana del separador de transporte de iones para formar una corriente de gas agregado; y la corriente de gas agregado en el quemador se hace reaccionar con la corriente de gas combustible para producir una segunda corriente de gases productos de combustión. En todavía otra modalidad preferida de la invención, el agua es eliminada de por lo menos una porción de la primera corriente de gases productos de combustión para producir una corriente de gas producto dióxido de carbono. En otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la energía recuperada por la turbina a gas se usa para llevar a cabo la etapa de compresión. En una modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la corriente de gas agotado en oxígeno se recupera como una corriente de gas producto nitrógeno. El término "módulo" se refiere a una cubierta que contiene una o más secciones de membrana transportadora de iones. A menos que se anote lo contrario de aquí en adelante, una descripción de las operaciones realizadas por dos o más módulos se aplica a modalidades alternas en las cuales tales operaciones son efectuadas por dos o más secciones de membrana transportadora de iones dispuestas en un solo módulo. El término "sección" se refiere a por lo menos una porción de un elemento de membrana de iones que puede estar formada como una estructura tubular, planar o de otro tipo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se le ocurrirán a aquellos expertos en el arte de la siguiente descripción de modalidades preferidas de la invención y de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo separador de conductor ¡ónico de electrolito sólido en combinación con un módulo reactor de transporte de iones y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno, una corriente de gas producto dióxido de carbono y energía; La Fig. 2 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un módulo reactor-calentador de transporte de iones y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía; La Fig. 3A es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención similar a la Fig. 2 que usa un módulo integrado de reactor-separador de conductor iónico de electrolito sólido y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía; La Fig. 3B es una vista en detalle de un componente de un módulo quemador-separador de conductor iónico de electrolito sólido alterno para la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 3A; La Fig. 4 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo reactor-separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un quemador y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno que contiene productos de combustión y energía; La Fig. 5A es un diagrama esquemático de otra modalidad de la invención que usa un módulo separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un módulo reactor de transporte de iones dispuesto corriente abajo de una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía; La Fig. 5B es una vista en detalle de un componente de quemador alterno de la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 5A; La Fig 6 es un diagrama esquemático de otra modalidad de la invención que usa un módulo reactor-calentador de conductor iónico de electrolito sólido Como una unidad deoxo en combinación con un módulo separador de transporte de iones y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno, una corriente de producto nitrógeno de alta pureza y energía; y La Fig. 7 es un diagrama esquemático de otra modalidad de la invención que usa un módulo reactor-calentador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un módulo separador de transporte de iones y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía en donde los productos de reacción del lado de permeado o ánodo del reactor de transporte de iones purga el lado de permeado del separador de transporte de iones para aumentar el transporte de ¡ones oxígeno. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La esencia de la invención es combinar un proceso de turbina a gas con la recuperación de por lo menos un producto oxígeno mediante una sección de membrana separadora de transporte de iones, en donde se efectúa un calentamiento de la corriente de alimentación a la temperatura de operación del separador haciendo reaccionar un combustible en el lado de permeado de una sección de membrana del reactor que comprende un reactor de transporte de iones, un reactor-calentador, o una combinación de reactor-separador. La sección de membrana del reactor y la sección de membrana del separador son membranas espaciadas aparte, diferentes en algunas modalidades y son porciones diferentes de una estructura de membrana unitaria en otras modalidades. Esta invención puede llevarse a cabo instalando por lo menos un reactor de oxígeno de transporte de iones, que tiene una membrana transportadora de ¡ones, en una configuración de generación de energía de ciclo de turbina a gas para efectuar por lo menos una porción de la función de calentamiento para una corriente de aire de alimentación para llevarla a la temperatura de operación del transporte de iones haciendo reaccionar un combustible introducido en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones con oxígeno transportado, Tal purga reactiva aumenta el transporte de oxígeno a través de la membrana mediante la reducción de la presión parcial de oxígeno, mediante el consumo de oxígeno y/o mediante el barrido de la membrana con productos de combustión, y por lo tanto incrementa el potencial impulsor para el transporte de oxígeno para el lado de reacción. El oxígeno de la corriente de gas de alimentación, generalmente aire, será extraído parcialmente en el reactor de transporte de iones para sostener la reacción. Cuando la corriente de gas permeado de salida que contiene vapor y dióxido de carbono es enfriada entonces, el agua se condensa de la corriente de gas y una corriente de gas dióxido de carbono, saturado con vapor de agua pero de alguna forma puro, es obtenible según se desee. En otra construcción, el lado de permeado del reactor es operado substancialmente a la misma presión que la del lado de retenido, y la corriente permeada que sale se une con el retenido que emerge de un separador de transporte de iones. El retenido del reactor de transporte de iones es preferiblemente procesado después en una segunda membrana transportadora de iones para producir oxígeno en el lado de permeado y una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido. En algunas configuraciones la corriente de gas retenido, la cual ha sido agotada parcialmente de oxígeno en el reactor de transporte de iones, es quemada usando un combustible y expandida en una turbina a gas para producir energía. El escape de la turbina a gas está generalmente bastante caliente para pre-calentar la corriente de alimentación en el cambiador de calor o puede ser usada para producir vapor que será utilizado en una porción del proceso para generación de energía con base vapor. Como se verá de la siguiente descripción de la invención, especialmente en sus formas preferidas, el proceso del momento elimina algunas de las mayores fallas del arte anterior, especialmente con respecto a evitar la contaminación de la corriente de gas de alimentación al transporte de iones con productos de combustión, reducción de la fuerza impulsora de oxígeno, y dificultades de operación debidas a relaciones de equivalencia bajas combustible-a-aire con arreglos de proceso relativamente fáciles. Además, la invención tiene la ventaja de reducir emisiones de N02 y proveer opciones para la co-producción de dióxido de carbono y nitrógeno. Modalidades preferidas de la presente invención usan una corriente de gases productos de combustión como un gas de purga para mejorar la recuperación de oxígeno en el separador de transporte de iones. El uso de un reactor-calentador de transporte de iones o un reactor-separador de transporte de iones proporciona una forma muy económica para obtener el gas de purga para el separador de transporte de iones. Alternativamente, la invención permite la recuperación según se deseé de un producto dióxido de carbono del proceso, puesto que la corriente del gas de purga de productos de combustión o la corriente del gas de escape que emerge del reactor de transporte de iones será principalmente de agua y dióxido de carbono. El agua en la corriente del gas de escape puede ser condensada y reciclada como una adición de corriente de gas a la alimentación de la turbina y usuatmente hay suficiente calor de desperdicio disponible alli para permitir agregar agua adicional. Generalmente, la corriente de gas de desperdicio de la turbina tendrá un alto contenido de nitrógeno y se presta para la recuperación económica de nitrógeno. Algunos de los procesos de acuerdo con la invención son distinguibles del arte anterior descrito en los Antecedentes en que una corriente de gases productos de combustión es utilizable como una corriente de gas de purga para el separador de transporte de iones. Otro aspecto distintivo es que, si se desea vapor como un medio de purga, una fracción significativa del vapor inyectado es obtenible de los productos residuales de combustión. Cuando se emplea para purgar el lado de permeado de un reactor de transporte de iones, una ventaja clave de la presente invención es que usa productos de combustión (tales como vapor o dióxido de carbono) como un gas de purga, reduciendo con esto la presión parcial efectiva de oxígeno en el lado de purga de la membrana de transporte de iones. Esto aumenta la fuerza impulsora a través de la membrana transportadora de ¡ones, y efectúa un flujo mayor de oxígeno y un requerimiento de área menor de membrana. Las elevadas temperaturas de operación hacen al proceso de transporte de ¡ones intrínsecamente bien adecuado para la Integración con procesos de alta temperatura. La incorporación de una unidad de transporte de iones en una planta de energía de turbina a gas existente es clara, y los beneficios derivados de tal retro-adecuación compensarán con mucho el costo de instalación de la unidad de transporte de iones y sus accesorios. En la configuración de proceso de esta invención, el separador de oxígeno por transporte de iones está desacoplado térmicamente de la turbina a gas. Así, cada equipo puede operar en sus respectivas temperaturas de operación. También, la caida de presión a través de la unidad de transporte de iones por si misma será relativamente pequeña. Una retro-adecuación asi de acuerdo con la presente invención no afectará adversamente la eficiencia y rendimiento de la planta de energía existente.

Una oportunidad ideal para integración sinergística con membranas transportadoras de iones es provista usando sistemas de turbina a gas de acuerdo con la presente invención, puesto que las turbinas recuperan energía de la expansión de gases calientes. En el proceso de generación de energía, el aire es comprimido y después calentado mediante combustión directa de combustible. Para limitar el aumento de temperatura y permanecer dentro de las capacidades de temperatura de los materiales disponibles se utiliza una cantidad significativa de aire en exceso en el proceso de combustión. Esto, por lo tanto, provee una oportunidad ideal para extraer una porción del oxígeno en exceso de una corriente de gas a alta presión mediante un proceso de membrana de alta temperatura. El fluido de trabajo en un ciclo de energía de turbina a gas es generalmente aire o los productos de combustión de combustible y aire. Si se usa un combustible en tal sistema, el calor es generado dentro del sistema siendo quemado el combustible en una corriente de aire comprimido, y la corriente de gases productos de combustión resultante es expandida a través de una turbina a gas para producir energía. Debe notarse que el límite de la temperatura metalúrgica en las paletas de la turbina necesita una operación de turbina a gas con una relación aire-a- combustible muy alta. En un sistema convencional de turbina a gas, el nitrógeno en el aire de alimentación y ei oxígeno en exceso presentes en la corriente de gases productos de combustión actúan como diluyentes y con esto bajan la temperatura de la corriente de gases productos de combustión. Como resultado, ia corriente de gases de escape del ciclo de energía de turbina a gas contiene oxígeno en exceso en el cual se podría quemar combustible adicional. Estos gases de escape calientes podrían también ser usados para pre-calentar el aire de alimentación comprimido o podrían ser usados para generar vapor que puede ser empleado en un ciclo de energía a vapor. También es posible recuperar algo del oxígeno restante en los gases de escape en un ciclo de turbina a gas usando tecnología de membrana transportadora de iones. La mayoría de los sistemas generadores de oxígeno utilizan métodos criogénicos de separación de gases (alta pureza, gran escala) o técnicas de separación de membrana y de adsorción. Por ejemplo, las sistemas de membrana de polímero orgánico son típicamente muy intensivos en energía, y son usualmente adecuados solo para la producción de pequeñas cantidades de aire enriquecido con oxígeno (por ejemplo, 50% de oxígeno). Los sistemas de adsorción de presión oscilante producen típicamente oxígeno de una pureza de 90 a 95% de pequeñas a medianas cantidades. Aunque algunos de estos procesos convencionales recuperan una parte de la energía utilizada en producir el producto, no producen ninguna energía neta. Además, los procesos convencionales de separación de oxígeno operan a temperaturas baja, típicamente menos de IOO°C, y no se benefician significativamente con la integración con íd un proceso de generación de energía. A diferencia de la presente invención, la Patente de E.U., No. 5,516,359 (Kang et al.), mencionada antes en los Antecedentes, no menciona la co-produción de dióxido de carbono o nitrógeno, ni describe el diseño del aparato que permita o contemple el uso de reactores de transporte de iones los cuales, excluyendo el nitrógeno de la corriente de gases productos de reacción, permitan la recuperación de dióxido de carbono o su uso como una corriente de gas de purga o barrido para separadores de transporte de iones. En algunas de las configuraciones de reactor-calentador de acuerdo con la presente invención, hay la ventaja adicional de que la fuerza impulsora de oxígeno en el separador de transporte de iones no es reducida por la presencia de productos de combustión. La presente invención difiere también por la substitución de un reactor de transporte de iones por el quemador de la primera etapa a un reactor-separador de transporte de iones en una sola unidad por el quemador de la primera etapa y el separador de transporte de iones, o por la colocación del quemador de temperatura menor en la corriente de escape de la turbina más bien que en la carriente de admisión. Varias modalidades que incorporan una membrana transportadora de iones en un sistema de turbina a gas, incluyendo la retro-adecuación de un sistema de generación de energía por turbina, están descritas en Prasad et al., E. U. No. de Serie 08/933,248, presentada el 18 de septiembre de 1997, la cual es una divisional de la de E. U. , No. de Serie 08/490,362, presentada el 14 de junio de 1995, ambas son incorporadas en la presente por referencia y corresponden a EP Publ. No. 748,648. Los arreglos de la purga reactiva están descritos en "Purga Reactiva para Separación de Gases por Membrana de Electrolito Sól ido", E.U., No. de Serie 08/567,699, presentada el 5 de diciembre de 1995, EP Publ. No. 778,069, e incorporada en la presente por referencia. Varios diseños de reactores de transporte de iones están descritos en Gottzmann et al., E.U. , No. de Serie 08/848,204, presentada el 28 de abril de 1997, y E.U., No. de Serie 08/848,199, también presentada el 28 de abril de 1997, ambas también incorporadas en la presente por referencia. Todas las solicitudes de patente a las que se hace referencia en este párrafo son de propiedad común con la presente solicitud. Las membranas transportadoras de iones empleadas en los separadores de oxígeno, los reactores de transporte de iones, los reactores-calentadores de transporte de iones, los reactores-separadores de transporte de iones, o separadores-quemadores de transporte de iones discutidos en la presente son conductores iónicos de electrolito sólido. Estos materiales pueden ser seleccionados apropiadamente a las caracteristicas particulares de rendimiento necesarias o ventajosas para ta función pretendida y, por lo tanto, pueden ser usados diferentes materiales de transporte de iones en diferentes módulos. Los materiales de transporte de iones que transportan iones oxígeno son considerados útiles para la separación de oxígeno de mezclas de gases. Ciertos materiales de transporte de iones son conductores mixtos, que conducen ambos, iones oxígeno y electrones. A temperaturas elevadas, estos materiales contienen vacantes móbiles de ionesoxígeno que proveen lugares de conducción para el transporte selective de iones oxígeno a través del material. El transporte es impulsado por la relación de presiones parciales de oxígeno a través de la membrana: los iones oxígeno fluyen del lado de la presión parcial de oxígeno alta al de la presión parcial de oxígeno baja. La ionización de oxígeno a iones oxígeno tiene lugar en el cátodo o fado de retenido de ta membrana, y los iones son entonces transportados a través de la membrana transportadora de iones. Los iones de oxígeno se desionizan en el lado de permeado de la membrane, liberando moléculas de oxígeno. Para materiales que exhiben conductividad iónica solamente, se colocan electrodos externos en las superficies del electrolito y la corriente electrónica es acarreada en un circuito externo. En materiales conductores mixtos los electrones son transportados al cátodo internamente, completando asi el cicuito y obviando la necesidad de electrodes externos. Conductores de doble fase, en los cuales un conductor iónico de oxígeno está mezclado con un conductor electrónico, también pueden ser usados para las mismas aplicaciones. La Tabla I es una lista parcial de materiales de transporte de iones de interés para la separación de oxígeno.

B, B', B" = del bloque d de los metales de transición. (a) Tipo Co-La-Bi: Oxido de cobalto 15-75% en mol Oxido de lantano 13-45% en mol Oxido de bismuto 17-50% en mol (b) Tipo Co-Sr-Ce: Oxido de cobalto 15-40% en mol Oxido de estroncio 40-55% en mol Oxido de cerio 15-40% en mol (c) Tipo Co-Sr-Bi: Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de estroncio 5-50% en mol Oxido de bismuto 35-70% en mol (d) Tipo Co-La-Ce: Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de lantano 10-40% en mol Oxido de cerio 30-70% en mol (e) Tipo Co-La-Sr-Bi: Oxido de cobalto 15-70% en mol Oxido d? lantano 1-40% en mol Oxido de estroncio 1-40% en mol Oxido de bismuto 25-50% en mol (f) Tipo Co-La-Sr-Ce: Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de lantano 1-35% en mol Oxido de estroncio 1-35% en mol Oxido de cerio 0-70% en mol BÍ2-x-y- 1'? ?3-d (0<x<1, 0<y<1, d de la estequiometría) en donde: M' = Er, I, Tm, Ib, Tb, Lu, Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th, Ta, Nb, Pb, in, Ca, Sr, La, y sus mezclas.

M = MnFe, Co, Ni, Cu, y sus mezclas. BaCe .-xGd ?3.?.2 en donde: x = de cero a aproximadamente 1. Uno de los materiales de la familia de AsA _B.B'vB" Ox cuya composición está descrita en la Patente de E.U., 5,306,411 (Mazanec et al.) como sigue: A representa un lantánido o I, o una de sus mezclas; A' representa un metal alcalino terreo o una de sus mezclas; B representa Fe; B' representa Cr o Ti o una de sus mezclas; B" representa Mn, Co, V, Ni o Cu o una de sus mezclas; y s, t, u, v, w, y x son números tales que: s/t = de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 100; u = de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 1 ; v = de cero a aproximadamente 1 ; w = de cero a aproximadamente 1 ; x = un número que satisface las valencias de A, A', B, B', B" en a fórmula; y 0.9 < (s+t)/ (u+v+w) < 1.1 Uno de los materiales de la familia La?.xSr?Cu?.vrvlv?3-d en donde: M representa Fe o Co; x = de cero a aproximadamente 1; y = de cero a aproximadamente 1 ; d = un número que satisface las valencias de La, Sr, Cu, y M en la fórmula, 11. Uno de los materiales de la familia Ce?-?Ax?2-d , en donde: A representa un lantánido, Ru o I o una de sus mezclas; x = de cero a aproximadamente 1; d = un número que satisface las valencias de Ce y A en la fórmula. 12. Uno de los materiales de la familia Sr?-?BixFe?3-_, en donde: x = de cero a aproximadamente 1; d = un número que satisface las valencias de Sr, Bi, y Fe en la fórmula. 13. Uno de los materiales de la familia SrxFeyCo_Ow. en donde: x = de cero a aproximadamente 1 ; y = de cero a aproximadamente 1 ; z = de cero a aproximadamente 1 ; w = un número que satisface las valencias de Sr, Fe, y Co en la fórmula. 14. Conductores mixtos de doble fase (electrónico/iónico): (Pd)o.5 (ISZ)0.5 (Pt)o.s (ISZ)o.5 (B-l_1gLaCrO?)o.5(ISZ)o.s (lnao%Pt?o%)o.e/(ISZ)o.s (lngo%Pt?o%)o.s (ISZ)o.5 (ln_5%Pr2.5%Zr25%)o.s (ISZ)o.5 Cualquiera de los materiales descritos en 1-13, a los cuales se agrega una fase metálica de alta temperatura (v.g., Pd, Pt, Ag, Au, Ti, Ta, W).

Debido a su selectividad infinita para el transporte de oxígeno, los materiales de transporte de iones tienen varias aplicaciones potenciales en el área de separación y purificación de gases. Como materiales de transporte de iones exhiben generalmente conductividades iónicas apreciables a temperaturas elevadas solamente (mayores a 400°C), sin embargo, son diferentes a los procesos tradicionales de separación de oxígeno que operan a temperaturas bajas (menos de IOO°C). La mayoría de los sistemas generadores de oxígeno utilizan métodos criogénicos de separación (generalmente para aplicaciones a gran escala, de alta pureza) o usan técnicas de separación de membrana polimérica o de adsorción 20 (generalmente para aplicaciones de pequeña a mediana escala, de 90-95% de pureza). Los sistemas de membrana son típicamente muy intensivos en energía y son adecuados para ia producción de nitrógeno y para la producción de pequeñas cantidades de aire enriquecido con oxígeno (por ejemplo, 50% de oxígeno). En modalidades preferidas de la invención, aire comprimido es alimentado directamente a un reactor de transporte de iones en donde se hace reaccionar combustible con oxígeno permeado en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones para producir el calor necesario para llevar el aire a la temperatura apropiada de operación del transporte de iones. La corriente de gas retenido es calentada entonces a la temperatura de admisión de la turbina en un quemador convencional localizado corriente abajo. La relación combustible-oxígeno del lado de reacción ser de relaciones estequiométricas o ligeramente rica un combustible para lograr una combustión estable. Al mismo tiempo, con el diseño de reactor de transporte de iones apropiado descrito en Gottzmann et al., E.U., No. de Serie 08/848,204, titulada "Diseño de Reactor de Conductor Iónico de Electrolito Sól ido", que fue incorporado mediante referencia antes, la reacción que tiene lugar en la superficie de la membrana del reactor de transporte de iones estará en un ambiente que excluye substancialmente al nitrógeno (excepto por cualquier nitrógeno que pueda estar presente en el combustible) y estará a una temperatura uniforme relativamente baja y por io tanto minimizará la generación de NOx. Los productos de combustión del reactor de transporte de iones pueden o unirse a la corriente de gas retenido corriente abajo del separador de oxígeno de transporte de iones u opcionalmente ser extraídos para recuperar dióxido de carbono como un sub-producto o usarse como un gas de purga para el iado de permeado del separador de transporte de iones para mejorar la recuperación de oxígeno. Si el dióxido de carbono es un producto deseable, esto es ventajoso puesto que los productos de combustión contendrán principalmente dióxido de carbono y agua la cual puede ser fácilmente eliminada por condensación. Debido a que las presiones parciales de oxígeno en el lado de permeado del reactor de transporte de iones son muy bajas, las fuerzas impulsoras son altas y minimizan los requerimientos de área del transporte de iones. Al mismo tiempo, la presión parcial de oxígeno baja (menos de 10'14 atm.) requerirá la selección de composiciones conductoras mixtas eatables a estas bajas presiones. Se puede apreciar fácilmente que el arreglo de proceso sugerido provisto en la presente proporciona soluciones a las fallas de procesos previos y provee muchas ventajas. Por ejemplo, las temperaturas de admisión al separador de oxígeno de transporte de iones y la turbina pueden ser controladas independientemente a sus respectivas temperaturas óptimas de operación (700°C a 950°C para el separador de transporte de iones y 1000°C a 1400°C para la turbina) regulando los regímenes de combustible para el reactor de transporte de iones y el quemador. Además, puesto que la reacción de combustión está limitada al lado de permeado del reactor de transporte de iones, ambas, contaminación y dilución de la corriente de gas de alimentación al separador de transporte de iones son evitadas. Las relaciones de combustible-a-oxígeno en el reactor de transporte de iones son suficientemente altas para dar una combustión estable durante el proceso para proveer una salida continua de productos. Debe notarse también que el arreglo general es simple puesto que el reactor de transporte de iones combina las funciones de un cambiador de calor y quemador. Como se estableció previamente, el empleo de un módulo de transporte de iones reducirá la producción de NOx y permitirá la extracción de una corriente de gas subproducto relativamente rico en dióxido de carbono si se desea. Finalmente, se puede agregar vapor como un diluyente al lado de permeado de la membrana transportadora de ¡ones para ayudar a controlar la reacción. La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un módulo reactor de transporte de iones y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno, una corriente de gas producto dióxido de carbono y energía. En esta modalidad de la invención, el módulo reactor 20 de transporte de iones y el módulo separador 41 de transporte-de iones han sido integrados con la turbina 48 en un ciclo Brayton para permitir la extracción de oxígeno de la corriente 10 de gas de alimentación. Durante de operación, la corriente 10 de gas de alimentación es comprimida por el compresor 15 a una presión de 12 atm. La corriente 16 de gas comprimida es calentada a 4700°C en el cambiador de calor 17 por la corriente 26 de gas dióxido de carbono caliente, la corriente 58 de gas oxígeno caliente y la corriente 51 de gas de desperdicio, para producir la corriente 18 de gas calentado. La corriente 18 de gas caliente entra entonces al reactor 20 de transporte de ¡ones a través de los tubos 21 de extremos abiertos del calentador y es calentada a 800°C, la cual es la temperatura típica de operación del separador 41 de transporte de ¡ones. El reactor 20 de transporte de ¡ones contiene la membrana 22 transportadora de iones que tiene un lado 22a de retenido y un lado 22b de permeado. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 18 de gas caliente a la temperatura de operación del separador 41 de transporte de iones es generado por la reacción de la corriente 24 de gas combustible, por ejemplo, metano, con oxígeno que permea el lado 22b de permeado de la membrana 22 transportadora de iones, provisto por el transporte de iones oxígeno impulsado a presión a través de la membrana 22 de transporte de iones. La membrana 22 transportadora de iones contendrá típicamente catalizadores para aumentar la reacción en el lado 22b de permeado de la membrana 22 transportadora de iones para producir la corriente 25 de gases productos de combustión. La reacción en el reactor 20 de transporte de iones es operada preferiblemente ligeramente rica en combustible para mantener combustión estable. Dependiendo del diseño del reactor, es decir, del balance entre el flujo de oxígeno y la cinética de reacción, las presiones parciales de oxígeno en el lado 22b de permeado de la membrana 22 transportadora de iones pueden ser suficientemente bajas (por ejemplo, menos de 10"15 atm) para requerir el uso de un material de transporte de iones estable en esas condiciones de presiones bajas de oxígeno, tales como las perovskitas conteniendo cromo enlistadas en la Tabla I en el grupo 9. El reactor 20 de transporte de iones realiza las funciones combinadas de un quemador y un cambiador de calor de manera que la corriente 40 de gas retenido que sale del lado 20a de retenido está a una temperatura de 800'C y sin diluir (no-contaminado) por ningún producto de combustión. La corriente 25 de gases productos de combustión, conteniendo principalmente dióxido de carbono y vapor de aqua, es dirigida como la corriente 26 de gas la cual, como se dijo antes, es anf riada contra la corriente 16 de gas comprimido en el cambiador de calor 17 para producir la corriente 28 de gas producto dióxido de carbono. Alternativamente, la corriente 25 de gas es dirigida como la corriente opcional 27 de gas la cual se une con la corriente 45 de gas para formar la corriente 29 opcional de gas. El gas retenido 23 caliente sale del reactor 20 de transporte de ione coma la corriente 40 de gas. La corriente 40 de gas es introducida separador 41 de transporte de iones que contiene la membrana 4 transportadora de iones que tiene un iado 42a de retenido y un lado 42b d permeado en donde una fracción (por ejemplo, 40%) del oxígeno contenido e separada por transporte de iones impulsado a presión a través de la membran 42 transportadora de iones para producir la corriente 58 de gas oxígen caliente y la corriente 44 de gas retenido caliente. La corriente 58 de ga oxígeno caliente, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 16 de ga comprimido en el cambiador de calor 17 para producir la corriente 60 de ga producto oxígeno. La corriente 44 de gas retenido caliente es dirigida como l corriente 46 para convetirse en la corriente 47 de gas. La corriente 47 de ga puede ser expandida directamente en una turbina 48 de baja temperatura par impulsar el compresor 15 a través de la flecha 54. Alternativamente, para eficiencia óptima, la corriente de alimentación de la turbina puede ser elevada a una temperatura mayor como la tolerada por una turbina de alta temperatura. Esto se puede llevar a cabo usando un calentador (no mostrado) o, alternativamente, dirigiendo la corriente 44 de gas como la corriente opcional 45 de gas la cual, como se dija antes, se une con la corriente opcional 27 de gas, si se produce, para formar la corriente opcional 29 de gas. La corriente opcional 29 de gas es pasada por el quemador 30 para reaccionar con la corriente 32 de gas combustible para producir la corriente 33 de gases productos de reacción. La corriente 33 de gas se convierte en ia corriente 47 de gas ia cual, estando a la temperatura deseada de admisión de ia turbina (v.g., 1315°C), es inyectada a una turbina de alta temperatura como la turbina 48 a gas para producir energía para girar la flecha 54 para impulsar el compresor 15, la corriente 50 de gases de escape, y el exceso de energía 56. La corriente 50 de gases de escape es dirigida como la corriente 51 la cual, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 16 de gas comprimido en el cambiador de calor 17 para producir la corriente 52 de gas de desperdicio. Opcionalmente, la corriente 50 de gases de escape es dirigida como la corriente 61 de gas para ser usada en la generación de vapor. La Tabla ll ilustra el uso de la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 1 para la producción de 28,370 m3/h normales de oxígeno. La Fig. I y la Tabla I I ilustran claramente como el reactor 20 de transporte de iones y el quemador 30 proveen temperaturas de operación controladas independientemente para el separador 41 de transporte de iones y la turbina 48 a gas sin comprometer la operación del separador 41 de transporte de iones y afectando indebidamente la complejidad e inversión del sistema. TABLA II Relación de flujo de la corriente 1 0 de aire de alimentación 317,770 m3/h norm. Tipo de gas combustible de las Gas natural corrientes 24 y 32 (metano) Relación de flujo de la corriente 24 de gas combustible 4,426 M3 /h norm. Relación de flujo de la corriente 32 de gas combustible 39,720 m /h norm. Relación de flujo de la corriente 58 de gas producto oxigeno del separador 41 de transporte de iones 28,370 m /h norm. Temperatura de la corriente 10 de aire de alimentación 21 °C Temperatura de la corriente 18 de gas después del cambiador de calor 17 471 °C Temperatura de fa corriente 40 de gas después del reactor 20 de transporte de iones 800°C Temperatura de la corriente 33 de gas después del quemador 30 1093°C Temperatura de la corriente 50 de gases de escape de la turbina 482°C Temperatura de ia corriente 52 de gases de escape después del cambiador de calor 17 388°C Presión de la corriente 16 de gas después del compresor 15 12 atm. Presión de la corriente 60 de gas producto oxígeno 1 atm. Presión de corriente 50 de gases de escape de la turbina 1 atm.

Eficiencia isentrópica del compresor 15 86% Eficiencia isentrópica la turbina 48 88% Efectividad del cambiador de calor 17 90% Menor valor caiorifico del combustible 7,994 Kcal/m3/h n. Salida de energía de la turbina 48 73.3 MW Energía consumida por el compresor 15 40.9 MW Energía usada para la generación de oxígeno 3.7 MW Salida neta de energía 32.4 MW El castigo de energía asociado es aquella para comprimir una cantidad adicional de aire de alimentación la cual es igual, en régimen de flujo de masa, a la cantidad de oxígeno producido. El valor de 3.7 MW está asociado con la compresión de un paso sin ¡nter-enfriamiento. En un caso de retro-adecuación en donde es comprimido aire suplementario por un compresor adicional, puede ser muy útil emplear inter-enfriamiento y reducir el castigo de energía en aproximadamente I MW. En el caso estándar la pena capital para producir oxígeno son el costo del reactor de transporte de iones, del separador de transporte de iones y el costo de recuperación de calor de la corriente de gas producto oxígeno. Estos costos son compensados parcialmente por los ahorros debido a funciones menores de calor del quemador y el cambiador de calor. Es evidente que en lugar de un cambiador de calor de recuperación, se puede emplear un sistema de recuperación de calor de ciclo Rankine u otro sistema de recuperación de calor sin cambiar materialmente los resultados. La Fig. 2 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un módulo reactor-calentador de transporte de iones y una 25 turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía. La Fig. 2 es una variación de la Fig. 1 usando un reactor-calentador de transporte de iones en lugar de un reactor de transporte de iones para calentar el aire a la temperatura de operación del transporte de iones. Durante la operación, la corriente 200 de gas de alimentación as comprimida par el compresor 201 a la presión de 12 atm. La corriente 202 de gas comprimido es calentada aproximadamente de 315°C a 538°C en el cambiador de calor 204 por la corriente opcional 220 de gas dióxido de carbono caliente, la corriente 230 de gas oxígeno caliente y la corriente 250 de gases de desperdicio, para producir la corriente 206 de gas calentado. La corriente 206 de gas calentado atraviesa entonces el reactor-calentador 208 de transporte de iones a través de los tubos 224 del calentador para convertirse en la corriente 225 de gas calentada a 800°C, la temperatura de operación del separador 226 de transporte de iones. El reactor-calentador 208 de transporte de iones contiene la membrana 210 transportadora de ¡ones que tiene un lado 210a de retenido y un lado 210b de permeado. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 206 de gas calentado a la temperatura de operación del separador 226 de transporte de iones, es generado por la reacción de la corriente 215 de gas combustible, por ejemplo, metano, con oxígeno que permea al lado 210b de permeado de la membrana 210 transportadora de iones, provisto por el transporte de iones oxígeno impulsado a presión a través de la membrana 210 transportadora de iones. Típicamente, la membrana 210 transportadora de iones contendrá catalizadores para aumentar la reacción en el lado 210b de permeado de la membrana 21 0 transportadora de iones para producir la corriente 216 de gases productos de combustión. La reacción en el reactor-calentador 208 de transporte de iones es operada preferencialmente ligeramente rica en combustible para mantener una combustión estable. Como antes, el reactor-calentador 208 de transporte de iones realiza las funciones combinadas de un quemador y un cambiador de calor de manera que la corriente 234 de gas retenido que sale del tado 210a de retenido está a una temperatura de 800°C y sin diluir (no contaminada) por ningún producto de combustión. Alternativamente, la corriente 216 de gases productos de combustión, conteniendo principalmente dióxido de carbono y vapor de agua, es dirigida como corriente 218 de gas la cual se une como la corriente 236 de gas con la corriente 234 de gas para formar la corriente 237 de gas. Alternativamente, la corriente 216 de gases productos de combustión puede ser dirigida como la corriente opcional 220 de gas la cual, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 202 de gas comprimido en el cambiador de calor 204 para producir la corriente 221 de gases conteniendo dióxido de carbono y vapor de la cual puede ser recuperado dióxido de carbono después de condensar el vapor en el condensador 222. La corriente 225 de gas de alimentación sale del reactor-calentador 20 de transporte de iones y es introducida al separador 226 de transporte de iones que contiene la membrana 228 transportadora de iones que tiene un lado 228a de retenido y un lado 228b de permeado en donde una fracción (por ejemplo, 40%) del oxígeno contenido es separado mediante transporte de iones impulsado a presión a través de la membrana 228 transportadora de iones para producir la corriente 230 de gas oxígeno caliente y la corriente 232 de gas retenido caliente. La corriente 230 de gas oxígeno caliente, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 202 de gas comprimido en el cambiador de calor 204 para producir la corriente 231 de gas producto oxígeno. La corriente 232 de gas retenido caliente puede unirse a la corriente opcional 238 de gas, para convertirse en la corriente 233 de gas. La corriente 233 de gas es introducida al reactor-calentador 208 de transporte de iones, en dande se elimina el oxígeno, para producir la corriente 234 de gas. La corriente 234 de gas se une con la corriente 236 de gas para producir la corriente 237 de gas. La corriente 237 de gas se pasa al combustor 240 para hacerlo reaccionar con fa corriente 239 de gas combustible para producir la corriente 242 de gases productos de combustión. La corriente 242 de gas, ahora a la temperatura deseada de admisión a la turbina (típicamente mayor a 1093°C), es inyectada a la turbina a gas 243 para producir la energía 256 para impulsar el compresor 201 , la corriente 246 de gases de escape y el exceso de energía 244. La corriente 246 de gases de escape es dirigida como la corriente 250 de gas la cual, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 202 de gas comprimido en el cambiador de calor 204 para producir la corriente 252 de gas de desperdicio, opcionalmente, la corriente 246 de gases de escape es dirigida como la corriente 247 de gas para ser usada en la generación de vapor. La modalidad de la invención mostrada en la Fig. 2 tiene las mismas ventajas que la de la Fig. 1 . Además, la modalidad de la Fig. 2 provee una fuerza impulsora de oxígeno mayor para reducir el área del separador de transporte de iones relativa al ejemplo previo, debido a que no se elimina oxígeno, a diferencia del proceso mostrado en la Fig. 1 , de la corriente de gas aire antes de entrar al separador de transporte de iones. Una desventaja es el área 224 de transferencia de calor agregada en el reactor-calentador 208 de transporte de iones. La Fig. 3A ilustra una construcción en donde las funciones del reactor de transporte de iones y el separador de transporte de iones de la Fig. 2 están combinadas en una sola unidad reactor-separador. Durante la operación, ia corriente 300 de gas de alimentación es comprimida por el compresor 301 a una presión de 12 atm. La corriente 302 de gas comprimido es calentada a 426°C-538°C en el cambiador de calor 304 por la corriente 336 de gas dióxido de carbono caliente, la corriente 314 de gas oxígeno caliente y la corriente 332 de gas de desperdicio, para producir la corriente 306 de gas calentado. La corriente 306 de gas calentado entra entonces al reactor-separador 310 de transporte de ¡ones a través de los tubos 362 de extremo abierto del calentador y es calentada a la temperatura de operación de la membrana 309 transportadora de iones, que tiene un lado 309a de retenido y un lado 309b de permeado, y la membrana 312 transportadora de iones que, tiene un lado 312a de retenido y un lado 312b de permeado. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 306 de gas calentado a la temperatura de operación de la membrana transportdora de iones es generado por la reacción de la corriente 31 1 de gas combustible, por ejempio, metano, con el oxígeno que permea hacia el lado 309b de permeado de ia membrana 309 transportadora de iones, provisto por ei transporte de iones oxígeno impulsado a presión a través de la membrana 309 transportadora de iones. Típicamente la membrana 309 transportadora de iones contendrá catalizadores para aumentar la reacción en el lado 309b de permeado de la membrana 309 transportadora de iones para producir la corriente 336 de gases productos de combustión. La corriente 336 de gases productos de combustión, conteniendo principalmente dióxido de carbono y vapor de agua, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 302 de gas comprimido en el cambiador de calor 304 para producir la corriente 340 de gas producto dióxido de carbono. Simultáneamente, la membrana 312 transportadora de iones separa algo del oxígeno de la corriente 306 de alimentación mediante transporte de iones impulsado a presión a través de la membrana 312 transportadora de iones para producir la corriente 314 de gas oxígeno caliente y la corriente 318 de gas retenido caliente. La corriente 318 de gas retenido caliente sale del reactor-separador 310 de transporte de iones y se pasa al quemador 320 para reaccionar con la corriente 322 de gas combustible para producir la corriente 324 de gases productos de reacción. La corriente 324 de gas, estando a la temperatura deseada de admisión a la turbina (1315°C), es inyectada a la turbina a gas 326 para producir la energía 364 para impulsar el compresor 301 , la corriente 332 de gases de escape y el exceso de energía 328. La corriente 332 de gases de escape es, como se dijo antes, enfriada contra la corriente 302 de gas comprimido en el cambiador de calor 304 para producir la corriente 334 de gas de desperdicio. La corriente 314 de gas oxígeno caliente, como se dijo antes, es enfriada contra la corriente 302 de gas comprimido en el cambiador de calor 304 para producir la corriente 316 de gas producto oxígeno. La Fig. 3B es una vista en detalle de un componente de módulo quemador-separador de conductor iónico de electrolito sólido para la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 3A. En esta modalidad, el quemador-separador 361 de transporte de iones incluye la membrana 360 transportadora de iones, que tiene un lado 360a de retenido y un lado 360b de permeado. La corriente 350 combustible de gas reactivo es inyectada ai lado de retenido del quemador-separador 361 de transporte de iones usando un distribuidor 352. De otras formas, esta modalidad funcionaría como se describió en relación con la Fig. 3A. En una construcción, el distribuidor 352 es una pared o tubo poroso que se extiende dentro del quemador-separador 361 . El distribuidor 352 aplica preferiblemente el gas reactivo uniformemente substancialmente sobre una longuitud substancial del lado 360a de retenido para asegurar, en combinación con el diseño de la transferencia de calor del reactor-separador, temperaturas uniformes razonablemente de la membrana transportadora de iones y reacciones completas substancialmente del gas reactivo con el oxígeno. Puesto que las temperaturas de combustión son bajas relativamente, y para asegurar adicionalmente la combustión completa del combustible, la reacción puede ser incrementada catalíticamente. Por comparación, en el separador 310, Fig. 3A, pueden ocurrir relaciones gas-reactivo-a-oxígeno muy altas cerca del área de entrada de la corriente 31 1 de combustible. Puede resultar la combustión incompleta si el gas reactivo es una gasolina combustible y la relación es cercana o fuera de los límites de inflamabilidad de fa gasolina. Algunos de ios combustibles pueden ser oxidados parcialmente solamente, generando monóxido de carbono u otros contaminantes que podrían emerger en la corriente 336. La Fig. 4 es un diagrama esquemático de una modalidad de la invención que usa un módulo reactor-separador de conductor iónico de electrolito sólido en combinación con un quemador y una turbina para producir una corriente de gas producto oxígeno y energía. Esta modalidad es útil si la aplicación pretendida requiere que ia pureza de la corriente de gas producto oxígeno sea de 80% a 95% de oxígeno o menos. Durante la operación, la corriente 400 de gas de alimentación es comprimida por et compresor 401 a una presión de 12 atm. La corriente 402 de gas comprimido es calentada a 426°C-538°C en el cambiador de calor 402 por la corriente 438 de gas caliente y la corriente 432 de gas de desperdicio, para producir la corriente 406 de gas calentado. La corriente 406 de gas es calentada a cerca del rango de temperatura de operación del transporte de iones en el cambiador de calor 408 por la corriente 436 de gas caliente y la corriente 420 de gas de desperdicio, para producir la corriente 410 de gas calentado. La corriente 410 de gas calentado entra entonces al reactor-separador 412 de transporte de iones a través de los tubos 414 de extremos abiertos del calentador y es calentada a la temperatura de operación de la membrana 416 transportadora de iones, que tiene un lado 416a de retenido y un lado 416b de permeado.

La membrana 416 incluye una sección 460 de reactor y una sección 462 de separador como secciones diferentes de una estructura de membrana unitaria tal como la descrita en Gottzmann et al., No. de Serie 08/848, 199 de E.U. , titulada "Separador Enfriador Integrado de Conductor Iónico de Electrolito Sól ido" e incorporada antes en la presente por referencia. La sección 460 de reactor es preferiblemente de un quinto a un medio de la longitud total de ia membrana 416, más preferiblemente aproximadamente un cuarto de la longitud total, dependiendo de la pureza deseada de la corriente 444 de gas producto como se describe más adelante. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 410 de gas calentado a la temperatura de operación de membrana transportadora de iones es generado por la reacción de la corriente 418 de gas combustible, por ejemplo, metano, con el oxígeno que permea al iado 416b de permeado de la membrana 416 transportadora de iones, provisto por el transporte de iones oxígeno impulsado a presión a través de la membrana 416 transportadora de iones. Típicamente, la membrana 416 transportadora de iones contendrá catalizadores para aumentar la reacción en el lado 416b de permeado de la membrana 416 transportadora de iones para producir la corriente 436 de gas que contiene productos de combustión PC y oxígeno en una relación deseada. La cantidad de combustible, y par lo tanto, la cantidad de energía que puede ser generada esta limitada por las restricciones de pureza del producto oxígeno las cuales requieren que el porcentaje de gases no- condensables presentes en la corriente de gas producto oxígeno no exceda los limites de impureza demandados por la aplicación. Muchas, si no la mayoría, de las aplicaciones deberían ser capaces de tolerar las impurezas de productos de combustión contempladas, principalmente dióxido de carbono y vapor de agua. Opcionalmente, la corriente 418 de gas es una corriente de purga inerte, en donde la corriente 436 de gas es una corriente de producto oxígeno diluida. Cuando la purga reactiva se corre pobre en combustible de tal forma que las reacciones ocurren solamente dentro de la sección 460 del reactor, la corriente 436 de gas contiene de 80% a 95% de oxígeno, con el resto principalmente de dióxido de carbono y vapor de agua. La corriente 436 de gas, como se dijo antes, es enfriada en el cambiador de calor 408 para producir la corriente 438 de gas, la cual, a su vez, es enfriada en el cambiador de calor 404 para producir ia corriente 440 de gas. Ei vapor de agua de la corriente 440 de gas es condensado en el condensador 442 para producir la corriente 444 de gas producto oxígeno, la cual contiene de 80% a 95% de oxígeno. En otra construcción, mostrada en lineas punteadas, un separador 464 de gases convencional separa una corriente 466 de oxígeno más puro de la corriente 468 de dióxido de carbono. La corriente 420 de gas retenido caliente sale del reactor-separador 412 de transporte de iones y, como se dijo antes, es enfriada en el cambiador de calor 408 para producir la corriente 422 de gas, la cual es pasada por el quemador 424 para reaccionar con la corriente 426 de gas combustible para producir la corriente 428 de gases productos de reacción. La corriente 428 de gas, estando a la temperatura deseada de admisión a la turbina (1315°C), es inyectada a la turbina a gas 430 para producir la energía 450 para impulsar el compresor 401 , la corriente 432 de gases de escape y la energía 449 en exceso. La corriente 432 de gases de escape es, como se dijo antes, enfriada contra la corriente 402 de gas comprimido en el cambiador de calor 404 para producir la corriente 434 de gas de desperdicio. Como las otras modalidades, la modalidad de la Fig.4 permite el control independiente de las temperaturas del separador de transporte de iones y la admisión a la turbina. Al mismo tiempo, la configuración de la Fig.4 simplifica el sistema por la eliminación de la necesidad de un reactor de transporte de ¡ones por separado sin complicar significativamente las partes internas del separador. La Fig. 5A ilustra un reactor de transporte de iones posicionado en una corriente de escape de turbina, calentándolo esa corriente de escape a una temperatura suficientemente alta para operar eficientemente una membrana transportadora de iones, y calentando entonces la corriente de aire comprimido de alimentación a la temperatura requerida por el separador de transporte de iones mediante la obtención de calor de una corriente de retenido. Durante la operación, la corriente 500 de gas de alimentación es comprimida por el compresor 501 a una presión de aproximadammente 12 atm. La corriente 502 de gas comprimido es calentado a una temperatura de 426°C a 482°C en el cambiador de calor 504 de recuperación por la corriente 550 de gas oxígeno caliente, la corriente 546 de gas retenido caliente y, opcionalmente, la corriente 539 de gas permeado caliente, para producir la corriente 506 de gas calentado. La corriente 506 de gas de alimentación calentado es calentado adicionalmente a la temperatura requerida por el separador de transporte de iones en el cambiador de calor 508 por la corriente 548 de gas oxígeno caliente y la corriente 544 de gas retenido caliente para producir la corriente 510 de gas calentado. La corriente 510 de gas calentado entra entonces al separador 512 de transporte de iones y pasa por toda la membrana 514 transportadora de iones, que tiene un lado 514a de retenido y un lado 514b de permeado. La corriente 548 de gas, como se dijo antes, es enfriada en el cambiador de calor 508 para producir la corriente 550 de gas oxígeno, la cual, a su vez, es enfriada en el cambiador de calor 504 para producir la corriente 552 de gas oxígeno. La corriente 552 de gas es enfriada en el enfriador 554 para producir la corriente 556 de gas producto oxígeno enfriado. La corriente 516 de gas retenido caliente sale del separador 512 de transporte de iones y es pasada entonces por el combustor 520 para reaccionar con ia corriente 522 de gas combustible para producir la corriente 524 de gases productos de reacción que contienen productos de combustión PCI . La corriente 524 de gas, estando a la temperatura deseada de admisión a la turbina, es inyectada a la turbina a gas 526 y expandida para producir energía 559 para impulsar el compresor 501 , la corriente 528 de gases de escape y la energía 527 en exceso. La corriente 528 de gases de escape es pasada por el reactor 532 de transporte de iones a través de los tubos 530 de extremos abiertos del calentador y es calentada a una temperatura por arriba de la temperatura de operación de la membrana 534 transportadora de iones, que tiene un lado 534a de retenido y un tado 534b de permeado. La concentración de oxígeno de la corriente 528 de gases de escape de la turbina estará típicamente en el rango de 5 a 12%, más que suficiente para la función del reactor de transporte de iones. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 528 de gases de escape a una temperatura igual a o por arriba de la temperatura requerida por el separador de transporte de iones es generado par la reacción de ia corriente 536 de gas combustible, por ejemplo, metano, con el oxígeno que permea el lado 534b de permeado de la membrana 534 transportadora de iones, provisto par el transporte de iones impulsado a presión a través de la membrana 534 transportadora de iones. Típicamente la 15 membrana 534 transportadora de ¡ones contendrá catalizadores para aumentar la reacción en el lado 534b de permeado de la membrana 534 transportadora de iones para producir la corriente 538 de gas que contiene productos de combustión PC2. Opcionalmente, la corriente 538 de gases productos de combustión es dirigida para emerger con la corriente 516 de gas ia cual es introducida al quemador 520. El tado de reacción del reactor 532 de transporte de iones es operado preferiblemente en esta construcción a una presión suficientemente alta para permitir la adición de los gases de combustión PC2 a la corriente 516 de retenido que fluye al quemador 520 y evitar con esto perder potencial de trabajo y flujo de masa de la turbina. Este proceso explota uno de los aspectos únicos de un reactor de transporte de iones en que puede transferir el oxígeno requerido para la combustión de una corriente de presión baja a una corriente de presión alta siempre y cuando la reacción produzca una relación de presiones parciales de oxígeno del lado de retenido-al-de-permeado mayor que 1 . Opcionalmente, toda o una porción de la corriente 538 de gas puede ser usada para purgar el lado de permeado del separador 512 para aumentar el transporte de oxígeno. En este caso, no mostrado, la corriente permeada que sale podría contener agua y vapor. Después de condensar el vapor en el enfriador 554, podría ser recuperado un producto de menor pureza conteniendo de 80 a 95% de oxígeno. Alternativamente, todos o una porción de los gases de combustión son extraídos para la recuperación de dióxido de carbono como en la Fig. 1 puesto que la impureza principal de los gases de combustión será otra vez agua. Los requerimientos de diseño para el reactor de transporte de iones son similares a los de la Fig. 1 . La corriente 544 de gas retenido caliente sale del reactor-separador 532 de transporte de iones y, como se dijo antes, proporciona el calor, y se enfría, en el cambiador de calor 508 para producir la corriente 546 de gas, la cual a su vez es enfriada en el cambiador de calor 504 para producir la corriente 558 de gas de desperdicio. En aun otra Construcción, un calentador a fuego 560 o quemador de cola en-linea convencional, Fig. 5B, es substituido por el reactor de transporte de iones mostrado en la Fig. 5A. Como se ilustra en la Fig. 5B, la corriente 526 de gases de escape de la turbina es inyectada al 10 calentador a fuego o quemador de cola en-linea 560 convencional y hecha reaccionar con la corriente 562 de gas combustible para producir la corriente 538 de gas. Cualquiera de los dos el calentador a fuego o quemador de cola en-linea 560 ofrece control de temperatura independiente y no dilución o decrementos de concentración de oxígeno en la alimentación del separador de transporte de iones, pero sacrifica las opciones de reciclar productos de combustión a la admisión del quemador de alta temperatura o recuperación de un sub-producto de dióxido de carbono. De otra forma, esta modalidad funcionaría como la descrita con respecto a la Fig. 5A. Las modalidades de las Figs. 5A y 5B permiten el control independiente de las temperaturas del separador de transporte de iones y la admisión a la turbina y no exponen ia alimentacidn del separador de transporte de iones a dilución o contaminación con productos de combustión. Cada uno tiene la ventaja adicional de que la concentración de oxígeno en la alimentación del separador de transporte de iones y por lo tanto la fuerza impulsora de presión parcial no se reducen como en el caso de un quemador en-linea o un reactor de transporte de iones en linea corriente arriba de un separador. El reactor de transporte de iones turbina-cola-gas comparte la ventaja de facilitar el control de las relaciones de equivalencia combustible-a-oxígeno para una combustión estable con los otros esquemas de reactor de transporte de iones. La Fig. 6 ilustra un sistema para producir oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono si se desea, como sub-productos con la generación de energía. Durante la operación, la corriente 600 de gas de alimentación es comprimida por el compresor 601 a una presión de 12 atm. La corriente 602 de gas comprimido es calentada a una temperatura de 426 a 482°C en el cambiador de calor de recuperación 603 por la corriente 652 de gas caliente, la corriente 646 de gases de escape de la turbina, la corriente 626 de gas caliente y, opcionalmente, la corriente 638 de gas dióxido de carbono caliente, para producir la corriente 604 de gas calentado. La corriente 604 de gas calentado es calentado adicionalmente en el cambiador de calor 606 por la corriente 618 de gas calentado, ta corriente 624 de gas caliente y la corriente 650 de gas caliente para producir la corriente 608 de gas calentado. La corriente 608 de gas calentado es calentada entonces a la temperatura del transporte de ¡ones en el reactor-calentador 610 de transporte de iones conforme pasa a través de las tubos 61 1 del calentador. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 606 de gas a la temperatura requerida por el separador de transporte de iones es generado por la reacción de la corriente 614 de gas combustible, por ejemplo, metano. La corriente 608 de gas calentado sale entonces del reactor-separador 610 de transporte de iones y es dividida; parte de ella se convierte en la corriente 618 de gas la cual pasa a través del cambiador de calor 606 y es inyectada después al quemador 632, y parte es inyectada al separador 621 de transporte de iones en donde se extrae del 50 at 75% del oxígeno contenido conforme el gas pasa por toda la membrana 622 transportadora de iones, que tiene un lado 622a de retenido y un lado 622b de permeado. La corriente 650 de gas, como se dijo antes, es enfriada en el cambiador de calor 606 para producir la corriente 652 de gas, ia cual, a su vez, es enfriada en el cambiador de calor 603 para producir la corriente 654 de gas oxígeno. La corriente 620 de gas retenido es pasada por el reactor- calentador 610 de transporte de iones para proveer el oxígeno necesario para la reacción en el ánodo o lado 612b de permeado de la membrana 612 transportadora de oxígeno y, al mismo tiempo, sacar el oxigeno residual del lado del cátodo o lado 612a de retenido de la membrana 612 transportadora de ¡ones. La corriente 624 de gas retenido, como se dijo antes, es enfriada en el cambiador de calor 606 para producir la corriente 626 de gas, la cual a su vez, es enfriada en el cambiador de calor 603 para producir la corriente 628 de producto nitrógeno a la presión del sistema. La corriente de producto nitrógeno contiene preferiblemente por lo menos 95% de nitrógeno, más preferiblemente por lo menos 98% de nitrógeno y más preferiblemente más de 99% de nitrógeno, en volumen. Un contenido de oxígeno de menos de 10 partes por millón es alcanzable. La corriente 634 de gas permeado emerge con la corriente 630 de gas para formar la corriente 631 de gas. Opcionalmente, toda o parte de la corriente 634 de gas se puede convertir en la corriente 638 de gas. La corriente 638 de gas es enfriada en el cambiador de calor 603 para producir la corriente 640 de gas, la cual es o desechada o de la cuai puede ser recuperado C9 mediante condensación del agua. La corriente 631 de gas es pasada al quemador 632 para reaccionar con la corriente 615 de gas combustible para producir la corriente 642 de gases productos de reacción. La corriente 642 de gas, estando a la temperatura deseada de admisión de la turbina, típicamente 131 5°C, es inyectada a (a turbina a gas 644 para producir energía 648 para impulsar el compresor 601 , la corriente 646 de gas y el exceso de energía 647. La corriente 646 de gases de escape es, como se dijo antes, enfriada contra la corriente 602 de gas comprimido en el cambiador de calor 603 para producir la corriente 648 de gas de desperdicio. El reactor 610 de transporte de iones de acuerdo con la modalidad de la Fig. 6 funciona esencialmente como una unidad Deoxo. Las proporciones de la división de la corriente 608 de aire dependerán de que tanto producto puede extraer uno sin castigar excesivamente a la turbina 644. Un ajuste en la relación de productos nitrógeno-a-oxígeno se puede lograr regresando algo de la corriente de nitrógeno a la alimentación del quemador. Como en algunas modalidades previas los productos de reacción del reactor de transporte de iones pueden ser mezclados con la corriente principal de alimentación al quemador 632 o enteramente o parcialmente extraídos como sub-producto dióxido de carbono. El diseño del reactor-calentador 610 de transporte de iones tiene otra vez que administrar la remoción del calor de reacción de una manera que mantenga los elementos del reactor de transporte de iones a una temperatura tan uniforme como sea posible. Es evidente que la principal ventaja del arreglo anterior es que permite recobrar una porción de la corriente 602 de aire de alimentación, como producto nitrógeno y ajustar la relación de productos nitrógeno-a-oxígeno sobre un amplio rango mientras conserva la mayoría de las ventajas de las otras modalidades de la invención. En muchas turbinas a gas de "bajo costo" más pequeñas las temperaturas de admisión tienden a estar limitadas al rango de 760°C a 982°C (idéntico al rango de operación de los separadores de transporte de iones) para reducir costos de capital. Obviamente, en estos casos, puede ser eliminado un quemador de alta temperatura por separado. Los esquemas mostrados en las figuras previas, sin embargo, pueden ser empleados aun con muchas de las ventajas citadas previamente preservadas. La Fig. 7 ilustra una modalidad aplicable a turbinas a gas más pequeñas que destacan una temperatura de admisión a la turbina más modesta de 1040°C. En este caso, no se requiere un segundo quemador puesto que la temperatura de admisión a la turbina está dentro del rango de los requerimientos de temperatura del transporte de iones. En el ejemplo particular descrito más adelante, se desea recuperar una fracción significative del oxígeno y dióxido de carbono contenidos como subproductos. Durante la operación, la corriente 700 de gas de alimentación es comprimida por el compresor 701 a una presión de 12 atm. La corriente 702 de gas comprimido es calentada a una temperatura de 426 a 482°C en el cambiador de calor de recuperación 704 por la corriente 780 de gas caliente, la corriente 717 de gas caliente, para producir la corriente 706 de gas calentado. La corriente 706 de gas calentado es calentada entonces a la temperatura del transporte de iones en el reactor-separador 710 de transporte de iones conforme pasa a través de los tubos 708 del calentador. El calor necesario para elevar la temperatura de la corriente 706 de gas a la temperatura requerida por el separador de transporte de ¡ones es generado por la reacción de la corriente 790 de gas combustible, por ejemplo, metano.

La corriente 706 de gas calentado sale entonces del reactor-calentador 710 de transporte de iones como la corriente 714 de gas calentado y es inyectada al separador 720 de transporte de iones en donde el gas pasa por toda la membrana 722 transportadora de iones, que tiene un lado 722a de retenido y un lado 722b de permeado y en donde el oxígeno es transferido del lado de retenido al de permeado por transporte de iones. La corriente 716 de gas retenido es dirigida at reactor 710 de transporte de iones en donde suministra el oxígeno mediante transporte de iones requerido para la reacción en el lado 712b de permeado. La corriente 718 de gas retenido emerge con la corriente 764 de gas para formar la corriente 774 de admisión a la turbina. La corriente 774 de admisión a la turbina es inyectada a la turbina a gas 776 para producir energía 782 para impulsar el compresor 701 , y para producir ia corriente 780 de gases de escape, y el exceso de energía 781 . La corriente 780 de gases de escape es, como se dijo antes, enfriada contra la corriente 702 de gas comprimido en el cambiador de calor 704 para producir la corriente 784 de gas, la cual a su vez es enfriada en el cambiador de calor 788 para producir la corriente 786 de nitrógeno y agua o vapor de agua. La corriente 790 de combustible es introducida a lado de permeado del transporte de iones 710 para reaccionar con el oxígeno que permea y proveer con esto el calor necesario. Los productos de combustión 792 que salen son usados para purgar el lado de permeado del separador 720 de transporte de iones y aumentar con esto el transporte de oxígeno mediante la reducción de la presión parcial promedio de oxígeno en el lado de permeado. La corriente 717 de gas permeado que emerge contiene ahora oxígeno el cual es diluido substancialmente por vapor y C02. La corriente 717 es enfriada en el cambiador de calor 704 para producir la corriente 719 de gas, la cual a su vez, es enfriada en el cambiador de calor 788 para producir la corriente 767 de gas. Después de condensar el agua en el condensador 780 el agua resultante puede ser eliminada de la corriente 791 en el separador 752 para producir la corriente 755 de agua y la corriente 754 de producto oxígeno de baja pureza saturado con agua. Si se desea, el agua contenida puede ser eliminada en un secador y el C02 separado por un proceso corriente abajo tal como adsorción oscilante por membranas a presión a temperatura tal como el ilustrado por el separador 464, Fig. 4. El contenido de CO2 de la corriente 754 variará típicamente de 5 a 25%, dependiendo de las condiciones del proceso. Para utilizar el calor de desperdicio disponible y minimizar la pérdida de volumen de flujo en la turbina, la corriente 755 del agua separada es bombeada preferiblemente a la presión apropiada por la bomba de agua 760, pasa como la corriente 761 al cambiador de calor 788 caldera-sobre-calentadora produciendo la corriente 762, la cuai a su vez pasa a través del cambiador de calor de recuperación 704 para producir la corriente 764. Como se dijo antes, la corriente 764 se mezcla con la corriente 718 de retenido caliente antes de ser inyectada a la corriente 774 de admisión de la turbina. Dependiendo del calor disponible y el costo del cambiador de calor es posible agregar agua adicional a la succión de la bomba 760 a través de la corriente 750 para reducir adicionalmente las pérdidas en el flujo de volumen y energía en la turbina 776. Es obvio que en lugar de unidades separadas de transporte de iones se puede emplear una combinación de reactor-separador. También es obvio que el concepto general de usar gases de combustión de un reactor de transporte de iones puede usarse con sistemas que emplean un quemador corriente abajo del separador de transporte de iones o la turbina. Las Tablas lil y IV muestran como la modalidad de la Fig. 7 puede recuperar una fracción significativa del oxígeno en la corriente de gas de alimentación y proveer una corriente de productos mezclados oxigenódióxido de carbono fácilmente separables con un sacrificio pequeño de la exportación de energía de la turbina a gas.

Se puede ver que en el ejemplo dado, 200 TPD de oxígeno es producido con una energía efectiva de 530 kW a 2.65 kW/TPD sin crédito para el dióxido de carbono. El capital agregado será aquel para el reactor-calentador de transporte de iones, la caldera-sobre-calentadora, el remanente de circuito de agua, y un recuperador mds elaborado con un crédito por la eliminación de un quemador. Un bono adicional será la eliminación esencialmente completa de NOx debido al uso de un reactor de transporte de iones en lugar de un quemador. Debe notarse que el gas de desperdicio contiene principalmente agua, nitrógeno y oxígeno y que en el ejemplo, el contenido de oxígeno como un porcentaje de gases no condensable es de solamente aproximadamente 3%. Como resultado, el desperdicio haría una alimentación ideal para un sistema de recuperación de producto nitrógeno. Un sistema adecuado podría ser un secador de membrana o PSA/TSA seguido por una planta Deoxo de transporte de iones. En el caso de que va a ser recuperado nitrógeno el agua condensada del desperdicio podría ser usada para reducir el suministro externo de agua al sistema. Los elementos requeridos para la práctica de la invención tema son reactores de transporte de iones diseñados apropiadamente, unidades reactores-calentadores y reactores-separadores. Como se indicó antes, el diseño de estos dispositivos debe involucrar la administración de los calores de reacción de tal modo que la temperatura de los elementos del reactor de transporte de iones no experimenten incursiones excesivas de temperatura y operen a temperaturas relativamente uniformes para eficiencia máxima. Rangos típicos para parámetros de operación de los módulos de transporte de iones son los siguientes: Temperatura: Para los módulos de transporte de ¡ones, la temperatura estará típicamente en el rango entre 400°C y 1500°C. La turbina a vapor operará típicamente en el rango entre 350 y 600°C. La turbina a gas operará típicamente en el rango entre 800°C y 1500°C. Presión: La presión en el lado de la purga estará típicamente antre I atm y 40 atm, y preferiblemente entre I atm y 10 atm. La presión en el lado de la alimentación estará entre 1 atm y 40 atm si se necesita nitrógeno presurizado como un producto o si el gas de escape del transporte de iones va a una turbina a gas para generación de energía y, de otra forma, de 1 atm a 10 atm. La presión de admisión a la turbina estará típicamente entre 5 atm y 40 atm, y la presión de escape estará típicamente entre I atm y 1 .5 atm. El generador de vapor generará vapor típicamente a una presión de 10 atm a 50 atm por el ciclo Rankine.

Conductividad de Iones Oxígeno de la Membrana Transportadora de Iones: Típicamente en el rango de 0.01-100 S/cm (1 S = 1/Ohm). Espesor de la Membrana Transportadora de Iones: La membrana transportadora de ¡ones puede ser empleada en la forma de una película densa, o una película delgada soportada en un substrato poroso. El espesor (t) de la membrana/capa transportadora de ¡ones es típicamente de menos de 5000 micrones, preferiblemente t es menor que 1000 micrones y más preferiblemente t es menor que 100 micrones. Configuración: Los elementos de la membrana transportadora de iones pueden ser típicamente tubulares o planares. Como se usa en la presente, el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque el oxígeno se encuentra típicamente en forma diatómica, el oxígeno elemental incluye átomos sencillos de oxígeno, ozono triatómico y otras formas sin combinar con otros elementos. Aspectos específicos de la invención se muestran en uno o más de los dibujos para conveniencia solamente, ya que cada aspecto puede combinarse con otros aspectos de acuerdo con ia invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Serán reconocidas modalidades alternas por aquellos expertos en el arte y se pretende qué sean incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (1)

1. es una membrana separadora diferente separada aparte de la membrana de reactor. 3. El proceso de la reivindicación 1 en el cual la primera y segunda secciones de membrana son porciones diferentes de una estructura de membrana unitaria. 4. El proceso de la reivindicación 1 en el cual la reacción dentro de la zona de permeado de la primera sección de membrana transportadora de ¡ones incluye hacer reaccionar el oxígeno que permea la primera sección de membrana transportadora de iones con una primera corriente de gas combustible para producir una primera corriente de gases productos de combustión. 5. El proceso de la reivindicación 4 que incluye además obtener dióxido de carbono como un producto de la primera corriente de gases productos de combustión. 6. El proceso de la reivindicación 5 en el cual obtener dióxido de carbono incluye eliminar agua o vapor de agua de la primera corriente de gases productos de combustión. 7. El proceso de la reivindicación 4 en el cuai por lo menos una porción de la corriente de productos de combustión es utilizada para purgar la zona de permeado de la segunda sección de membrana transportadora de iones para aumentar el transporte de iones oxígeno a través de la segunda sección de membrana. 8. El proceso de la reivindicación 7 que incluye además separar dióxido de carbono de la corriente de gas que contiene oxígeno. 9. El proceso de la reivindicación 1 , que incluye además hacer reaccionar la corriente de gas agotado en oxígeno en un quemador con una segunda corriente de gas combustible para producir una segunda corriente de gases productos de combustión, y dirigir ta segunda corriente de gases productos de combustión a la turbina como la corriente de gas a ser expandida. 10. El proceso de la reivindicación 1 , que incluye combinar por lo menos una porción de la primera corriente de gases productos de combustión con por lo menos una porción de la corriente de gas agotado en oxígeno del lado de retenido de la sección de membrana separadora de transporte de ¡ones para formar una corriente de gas agregado; hacer reaccionar la corriente de gas agregado en un quemador con una segunda corriente de gas combustible para producir una segunda corriente de gases productos de combustión; y dirigir la segunda corriente de gases productos de combustión a la turbina como la corriente de gas a ser expandida.