气流纯化方法

专利名称：气流纯化方法
技术领域：
本发明涉及一种纯化气流的方法，该方法中，将气流引入一系 列具有一种或多种氧离子传导电解质的电驱动氧气分离区内，将氧 气由气流中分离出来。更具体地，本发明涉及这样一种纯化方法， 其中，对每个分离区施加电压以引发接近极限值的氧离子电流，当 超过该极限值再进一步增加电压时将不能使氧气分离增加。
背景技术：
利用电驱动氧转运膜分离氧气以纯化进料。这些膜采用通常为 离子导电体的电解质，例如钆掺杂二氧化铈或钇稳定的氧化锆。如
为阴极的电极处离子化以产生氧离子。氧离子渗透过膜并在阳极处 出现。氧离子组合以形成单质分子氧，在进行此过程时多余的电子 被让给阳极。
曾利用电驱动氧气分离设备纯化粗制氩流。由低温蒸馏空气产 生粗制氩气。在进行低温蒸馏时，压缩和纯化空气流并将其冷却至 露点或接近露点。将冷却空气流引入具有高低压力塔的双塔设备中， 高低压力塔通过冷凝器-再沸器在传热关系中互连。在高低压力塔 中，经压缩和纯化后的空气被连续精制为富含氧气和富含氮气的馏 分。由低压塔回收相比较富含氩气的汽流，并将其引入粗制氩气塔 以产生富含氩气的塔顶物。通过冷凝塔顶物回流氩气塔，部分的液 态冷凝物作为粗制氩流一皮回收。在US 5,557,951号中，蒸发并加热粗制液态氩流。随后将所得 的加热流体引入电驱动氧转运膜单元以除去该加热流中的氧气，由 此生产纯化氩流。
在US 5,035,726号中，加热并压缩低压粗制氩流。该压缩流被 进一步加热并输送至电驱动氧转运膜单元以除去大部分的氧气。随 后将所得纯化气流引入蒸馏塔以除去氮气。由该塔底部回收液化氧
气
US 5，454,923号举例说明了另外一种利用电化学电池的惰性气 体纯化系统，该电化学电池具有涂敷了电极并被加热至高温的无孔 电解质膜。
任何电驱动氧转运膜设备的电力使用量，在确定这样的出于纯 化目的的操作是否经济可行是重要的。该问题在纯化粗制氩气中特 别关键，因为空气低温精馏的主要费用源自电力消耗，主要在于空 气的压缩中。因此电驱动氧气分离器及其用于纯化粗制氩气的电力 消耗对于制造氩气的空气分离厂的效益至为关键。同样的问题也涉 及于其它气体纯化系统，例如通过采用吸附床的变压吸附单元或采 用高分子膜的膜系统生产的粗制氮流的纯化。两种类型的单元在压 缩空气时都消耗电力，因此电力消耗在利用电驱动氧气分离器以纯 化由这些来源得到的粗制氮流时是重要的因素。如下所述，本发明 提供了一种纯化方法，该方法将对于特定尺寸电驱动氧气分离器而 言的电力使用最小化。
发明概述
本发明提供一种通过除去气流中的氧气以纯化气流的方法。根 据该方法，将气流引入 一 系列在高温下操作的电驱动氧气分离区内 以将氧气由气流中分离出来。分离氧气产生纯化气流。每个电驱动 分离区都配有电解质和用于对电解质施加电压，使氧离子通过电解
6质转运，并由电解质出现，再组合成单质氧气(elemental oxygen)的阴 极和阳极组件。这样便将氧气由气流中分离出来以生产纯化气流。
由于氧气在连续的电驱动氧气分离区内被分离，故氧气在连续 降低的分压下由气流中被分离出来；每个电驱动分离区能随着施加 于阴阳极组件的电压的升高而更加有效地分离氧气，直至达到电驱 动氧气分离区内引发的氧离子电流接近极限氧离子电流的水平。在 达到极限氧离子电流时，再增加电压将不能使氧气分离增加。该极 限氧离子电流是连续降低的分压的函数，这样对每个连续电驱动氧 气分离区而言所施加的电压便减小。所选择的施加于所述电驱动氧 气分离区中每个区的电压使氧离子电流接近适用于该区的极限氧离 子电流。
在先前的技术中，对电驱动氧气分离区施加恒定电压。然而， 随着气流穿过设备，氧气最终变稀。结果，氧气分压减小。因此， 没有最佳地施加电压，因为随着待处理气体通过膜，该气体分压减 小进而就不需要同样的电压。单独施加电压以便氧离子电流在分离 下游区接近极限值，由此减小对于特定应用所需的具体尺寸的膜而 言，膜的整体电力消耗。
本发明可应用于纯化粗制氩流，将氧气由这样的流体除去。如 果气体流为粗制氩流，则该气流是通过蒸发粗制液态氩流而形成的， 该粗制液态氩流回收自低温空气分离工厂的粗制氩气塔，并含有以 体积计约0.1%至约3%的氧气。优选的，粗制液态氩流包含的氧气 以体积计为0.5%至约2%。
本发明的另 一个应用涉及构成由变压吸附单元或膜分离单元回 收的粗制氮流的气流的纯化。在这种情况下，粗制氮流可以包含的 氧气以体积计约0.05%至约2%。更优选的，粗制氮流包含的氧气以 体积计约0.1%至约1%。最优选地，粗制氮流包含的氧气以体积计 约0.15%至约0.5%。
7氧离子电流可以为极限氧离子电流的约80%至约99.99%。在本 发明的优选操作模式中，氧离子电流至少为极限氧离子电流的约 95%。
如果电解质是由YSZ形成，则电驱动氧分离区的高操作温度约 60(TC至约900°C。约65(TC至约800'C的温度范围更优选，约700°C
至约8ocrc的范围是特別优选的。
电解质可以是贯穿每个电驱动氧气分离区的共同的电解质。在 这种情况下，每个电驱动氧气分离区被限定在特定的施有电压的阴 阳极组件之间。然而，可以理解的是电驱动氧气分离区可以是分离 的设备或在相同的设备内彼此分离。如下所述，当电驱动氧气分离
区^L分离，有利的是，起始区可以由8YSZ形成。术语"8YSZ"指的 是氧化钇掺杂或稳定的氧化锆，以摩尔计其内含约8%的氧化钇。随 后的区可由6YSZ或3YSZ形成。
在应用本发明纯化粗制氩气时，通过与空气流的间接热交换蒸 发粗制液态氩流，从而液化空气流并形成粗制氩气流以待纯化。通 过与纯化气流的间接热交换加热粗制氩气流，通过与液态空气流的 间才妄热交纟灸液化该纯化的气流。
或者，^!L制液态氩流、纯化的气流以及液态氮流经历间 -接热交 换，从而蒸发粗制液态氩流以形成待纯化的粗制氩流，蒸发液态氮 流并液化该纯化的气流。在该纯化的气流参与包含该纯化的气流与 粗制液态氩流的热交换前，通过与该纯化的气流的进一步间接热交 换加热所述粗制氩气流。利用鼓风机对粗制氩流进一步施加压力以 将其压力提高到该纯化的气流的压力以上，从而提供该液流和气流 之间热交4灸的加热和冷却曲线的更好匹配。
在另外一种替代方法中，本发明在低温空气分离厂的主换热器 内提供蒸发粗制液态氩流和液化产物流。可在主换热器内液化纯化 的气流前，通过与纯化气流的间接热交换加热粗制氩流。低温空气分离工厂里的待精馏的压缩纯化空气流可在主换热器内冷却，该低温空气分离厂的氧气和氮气产物流可以在主换热器内加热。
应用本发明纯化粗制氮流时，气流和纯化气流经间接热交换以加热气流和冷却纯化气流。在电驱动氧气分离单元启动或维持期间，变压吸附单元或膜分离单元可以在较低负载下操作，以生产比全负载下操作生产出来的氮流纯度更高的粗制氮流。
在上述纯化粗制氩气或纯化粗制氮气的任何一种应用中，可以
在电驱动氧气分离区内处理前，采用trim加热器进一步加热该气流。在本发明的任何实施方案中，可以利用吹扫流提取由气流中分离出来的氧气。在应用本发明纯化粗制氮流的情况下，吹扫流可以由部分待纯化的气流组成。
附图简述
尽管说明书以明确指出申请人认作发明主旨的权利要求来结束，但相信结合附图考虑时可更好地理解本发明。

图1为依据本发明的氧分离设备示意图2为所施电压与离子电流的关系曲线，离子电流表示为电驱动氧气分离设备内极限离子电流的分数；
图3为图1所示的用以纯化粗制氩气的氧气分离设备的使用示意图4为图3的替代实施方案；图5为图4的替代实施方案；和
图6为图1所示用于纯化粗制氮气的氧气分离设备的使用示意
为避免对附图的不必要重复解释，使用相同的参考数指明相似的无需不同解释或描述的构件和流体。
详述参照图1，所示的电驱动氧气分离设备10被设计通过分离气流
12中的氧气以纯化气流12，并生产纯化的气流14。分离氧气在电驱动氧气分离区16、 18和20内进行。分别具有阴极和阳极22、 24;26、 28和30、 32的三个阴阳极组件限定了分离区16、 18和20。尽管在图中未示意出，但如本领域内的技术人员所熟知的，阴阳极组件也应配有常规集电器。所述电极和集电器多孔，且中间夹有电解质34，电解质34如下所述，可具有单独的部分。阴阳极组件及电解质34放置在壳35内以限定出电解质34相对两侧的通道36和37。应注意此间和权利要求中，所用术语"阴阳极组件，，是指多孔阴极和阳极和相关联的多孔集电器。
电极22、 24; 26、 28;和30、 32如此命名在于它们由导电材料组成。常规的集电器形成电极的外层，并再与直流电源38、 39和40相K如图所示，通过电源38、 39和40对阴极和阳极22、 24;26、 28;和30、 32施加不同的电压，以便流经通道36的气流12内的氧气在阴极22、 26和30内的孔与电解质34的接合处电离，产生的氧离子通过电解质34转运到达阳极24, 28和32。氧离子在阳招_24、 28和32内的孔与电解质34的接合处組合形成单质分子氧。在阳才及24、 28和32内将所产生的自由电子导回电源38、 39和40。将吹扫气流42引入通道37吹扫并除去电驱动氧气分离设备10内的氧气，由此提取氧气。吹扫气流42可以是氧气含量小于约21%的氮气或其它惰性气体。可以采用其它所熟知的提取方法，例如真空抽提。排出的吹扫气流42变为含有氧气的吹扫气流44。
在所示实施方案中，电解质34为管形，其厚度约为0.5mm,外径约为6.3mm，全长约91cm以提供约160 cm2的表面积。阴极22, 26
和30由50wt。/()亚锰酸镧锶(L"。.8&。.2M"Q")和50wt。/。氧化钇稳定的
氧化锆(^Q."^s^，)的混合物制得。每一个(阴极)厚度约10至约30微米，具有10微米的平均孔径和约40%的孔隙率。在这点上，通过扫描电子显微照片的图象分析以测量平均孔径。集电器可以为银质，具有约50至约100微米的厚度、约10微米的孔径和约40%的孔隙
率。阳极24， 28和32由50wto/o亚锰酸镧锶(丄"0 8&02^^^^")和
50wt。/。氧化钇稳定的氧化锆(Z~85^o.isGi925)的混合物制得。每一个阳极厚约20微米，具有约5微米的孔径和约40%的孔隙率。
阴阳极组件22、 24; 26、 28和30、 32将电解质分为三个相等的部分46、 48和50，各部分之间的间隙52和54约为1 cm。在这点上，这些间隙是可以由YSZ制得的隔离物，所述隔离物可通过玻璃封接、铜焊或其它结合和密封技术与46、 48、 50三部分相连。可理解，壳35因而可以由三个单独的部分构成，这些部分之间可流通，以便电解质相对两侧气流12及吹扫气流42的通过。此外，尽管如图所示电解质34分为三个部分46、 48和50,但在本发明的可行的实施方案中，电解质34可以无间隙，为所有电驱动氧气分离区16、18和20所共有。
为将氧气由气流10中除去，由于阳极和阴极侧氧气分压存在压差，故作用于电解质34的实际电压必须大于能斯特电势。能斯特电势由如下y^式描述
广
i^r , (077\41阳极侧的/702
4 F
0,氩气侧的/702乂
在该公式中，R为气体常数，T为K氏温度，F为法拉第常数，pC^为氧气分压。
可以施加的电压上限是导致电解质34因电化学还原而失效的电压。电化学还原可引起进入电解质34内的电子电导率，使其不能进行氧离子传导，造成电无效(electrically ine伍cient)。另外，这种还原也可导致等温膨胀，等温膨胀将在电解质34内产生足以使其破裂的应力。通常，最大电压为2伏特。然而，如下所述，应施加在每个电驱动氧气分离区16、 18和20以及电解质34的46、 48和50部分的电压应远小于该极限。参照图2，该图示说明了所施电压与离子电流之间的关系曲线，其中离子电流表示为电解质34内引起的极限离子电流的分数。该离
子电流是穿过每单位面积的电解质34的离子通量的量度，类似于为测量电流的穿过导体的电子通量。如图2所示，所施加电压的情况由如下^^式确定
在此公式中，R为气体常数，T为K氏温度，F为法拉第常数，I为电流。
随着所施加电压的增大，到达了极限离子电流所在的点。再增大电压将不会增加分离程度。该离子电流的极限是分压的函数。因此，随着该分压的减小，极限离子电流也减小，因此根据本发明，所施加的电压也应减小。例如，在氩流含氧气为2%的情况下，施加2伏特的电压不会达到极限电流。然而，随着氩流中氧气的除去以至氧气含量降至100ppm时，施加约0.6伏特电压即可观察到极限电流。该极限电流与引起该极限电流所施加电压的特定值(particularvalue)是温度、电解质的每一侧氧气分压、电解质每一侧的气体组分、电化学性能、电解质尺寸、电解质每一侧电极的微结构和引起极限电流行为的特定电化学机理的复杂函数。
因准确测定电驱动氧气分离设备10内极限电压的复杂性，故施加于电驱动氧气分离区16、 18和20每一个的电压特定值通过实验测定最佳。在此实验中，氧气分析器放于该特定区的下游，施加连续升高的电压直到观察不到氧气浓度减小为止。该实验的准确性当然将决定达到极限电压前，所施加电压逐步增加的次数或增幅。例如，0.01的电压增幅将在1%误差范围内确定该极限电压，而0.001的电压增幅将在0.1 %误差范围内确定该极限电压。
12优选地，可选择施加的电压，使氧离子电流达到氧离子极限电
流的约80%至约99.9%。然而，在任何实施方案中优选地，电解质中产生的氧离子电流至少应为氧离子极限电流的约95%。
通过计算的实例，电源38在16区内的阴极22和阳极24组件之间施加1.5伏特电压。4艮设含约1.8%氧气的氩流或粗制氮流待纯化，将在16区内除去大量的氧气，以便排出16并进入18的流所含氧气约为1000ppm。电源39在18区内的阴极26和阳极28之间提供大约1伏特电压，离开区18的流应含有约100ppm的氧气。电源40在阴极30和阳极32之间施加0.5伏特电压以便该纯化气流14具有约10ppm的氧气浓度。可以理解，如果对整个电化学设备10都施加1.5伏特电压，则将消库毛更多的电力。
当气流12中存在大量的氧气时，电解质34的总电化学性能由电解质34和阴阳极组件的性能决定。优选地，在此条件下，电解质34应具有高的氧离子电导率。8摩尔百分比的氧化钇掺杂的氧化4告
(8YSZ， &°.852}"°.|4801.926 )是优选的。其它电解质材料，例如礼掺杂的二氧4匕4巿禾口 4阑^^、 4美氧4匕物(lanthanum strontium gadoliniummagnesium oxide)是可用的材料，因为它们具有比8YSZ更高的离子电导率。然而，在实际设备中，这些材料导致成本增加且强度较低，这些缺点超过了其改进电化学性能的优点。
电解质电阻是氧气分压的函数，根据如下公式，阴极电阻与氧气分压成正比
A月极^ ，
其中n为1和4之间且包括1和4的试验确定值。随着氩流内氧气含量的减少，电化学性能对电极，特别是对与粗制氩气直接接触的阴极的电阻的依赖逐渐增强，而对电解质性能的依赖减少。在这些条件下，使用具有较低离子电导性但具有改善的强度的电解质材料，例如6摩尔百分比的氧化钇掺杂的氧化锆(6YSZ，Jo鹏io.m以i，)或3摩尔百分比的氧化钇掺杂的氧化锆(3YSZ，
z:，^.o，o"刀)是有利的。因此，在用以纯化粗制氩气的电驱动
氧气分离设备IO内，电解质34的部分46可以用8摩尔百分比的氧 化钇掺杂的氧化锆("8YSZ")制备，部分48和50可以用6或者3摩 尔百分比的氧化钇掺杂的氧化锆制备。
如果使用YSZ电解质，则优选地，膜将在60(TC至约900。C之 间的某一温度下操作，更优选地在约65(TC至约850。C之间，最优选 地在70(TC至约800。C之间。
参照图3，所示的作为氧气纯化器的电驱动氧气分离设备10纯 化由空气分离单元得到的粗制液态氩流60。在该空气分离单元内将 气流压缩、纯化和冷却至或接近其露点。再将冷却气流引入高压塔 的底部以产生粗制氧气塔底物和富含氮气的塔顶物。所得塔顶物在 较低压力的塔内被冷凝并进 一 步精馏以产生富含氧气的塔底物和富 含氮气的塔顶物。用富含氧气的液态塔底物冷凝高压塔内产生的塔 顶物，高压塔内产生的粗制液态氧被膨胀，并用于冷凝低压塔内的 塔顶物。由低压塔回收具有氩气浓度在约5%至约25%以内的蒸汽 流并将其引入粗制氩气塔底部。将粗制氩气塔作为汽提塔操作以便 该蒸汽内的氩气含量随该蒸汽在塔内上升并与下降的液相接触而增 大。由此该液相在塔内下降过程中将变得更为富含氧气。产物流可 由该氩气塔顶部以液态形式回收而形成粗制液态氩流60。该液态塔 底物#1返回至4氐压》荅。
优选地，粗制液态氩流60具有以体积计约0.1%至约3%的氧气 浓度。更优选地，粗制液态氩流60具有以体积计约0.5%至约2%的 氧气浓度。这样的范围的原因是，通常粗制液态氩气具有以体积计 约3%的氧气浓度，利用有限的附加费用，通过少量增加塔板数可减 小粗制液态氩流中的氧气浓度。氧气含量的减小使电驱动氧气分离 设备10所需的电量减少。在换热器62内通过与空气流64的间接热交换蒸发粗制液态氩 流60，也由此液化了空气流64。将产生的气态粗制氩流66引入换 热器68以形成气流12，气流12被引入电驱动氧气分离设备10内 以产生纯化的气流14。纯化气流14在换热器68内与气态粗制氩流 66交换热，以便待纯化气流12具有的温度达到或接近电驱动氧气 分离设备10的操作温度。作为该热交换的结果，经过换热器68后 的纯化气流14被冷却至室温或接近室温。随后将纯化气流14引入 热交换器70，在此该纯化气流14经与液态空气流72的间接热交换 而液化，液态空气流72可由高压蒸馏塔提取。可提供trim加热器(trim heater)74以便气流12在引入电驱动氧气分离设备10时恰好在操作 温度。如上所示，将吹扫气流42引入电驱动氧气分离设备10内以 提取分离出来的氧气。
图4为图3的替代实施方案。为避免不必要的重复解释，使用 相同的参考数对应如图3所陈述的具有相同描述的组成部分。图4 中，粗制液态氩流60在换热器78内与液态氮流76—同蒸发，进而 液化纯化的气流14。纯化气流14压力^f氐于粗制液态氩流60，因此 存在不允许纯化气流14另外蒸发粗制液态氩流60的热量不匹配。 然而，通过添加鼓风机80以稍微地升高得到的蒸发后的粗制氩流66 的压力，并提供液态氮流76，粗制液态氩流60将如所需蒸发，并 且纯化气流14将液化，而不会因对液态氮的过多需要而使整个流程 无效益。
参照图5，在另一个实施方案中，将粗制液态氩流60和纯化气 流14引入低温空气分离厂的主换热器82内。在主换热器82内，粗 制液态氩流60蒸发，在换热器68内冷却后的产物流14液化。主换 热器82通常配有氮气和氧气产物流84和86的通道以加热这些气 流。例如，氮气产物流84可以由这些低温空气分离厂的低压塔内产 生的塔顶物组成，氧气产物流86可以是液态氧或氧蒸气，由作为低 压塔的塔底物产生的氧气组成。还为压缩的纯化空气流88提供了另一个通道用以将其引入到进行空气精馏的高压塔的底部区域，该空
气流88在主换热器82内冷却至处于或接近其露点的温度。粗制液 态氩流60和产物气流14的流速小于其它流过主换热器82的流，所 以可以在不明显影响已有的主换热器性能情况下，通过对其进行改 装以完成上述过程。任选地，可以提供鼓风机80，以使产物气流14 和粗制液态氩流60的加热和冷却曲线之间更好地匹配。
在图3、 4和5所说明的实施方案中，使生产粗制液态氩流60 的氩气塔位于一定高度以上，在粗制液态氩流60内提供液压头，所 示气流被充分加压以流过换热器。
参照图6，所示的作为氧气纯化器的电驱动氧气分离设备10纯 化由变压吸附单元或膜单元得到的粗制氮流90。如本技术领域众所 周知的，变压吸附单元具有可由碳分子筛材料形成的吸附床。空气 被压缩并通过吸咐床以吸附该空气中所含的氧气，由此生产粗制氮 流82。在此过程进行的同时，至少另外一个吸附床处于离线并进行 再生，此再生通过使氧气在低压下由该吸附床所含的吸附剂上脱吸 附而完成。部分再生可通过与其它床和多个吹扫步骤(可包括用 一些 产物吹扫需要再生的床)进行压力均衡来完成。该床完全再生后，可 让其返回至在线状态以生产产物。在膜分离单元中，压缩空气流与 高分子膜接触以生产富含氧气的渗透流以及氮气渗余流(形成粗制氮 流82)，该高分子膜选用透氧气比透氮气更快的材料制备。
在换热器92内通过与产物气流14的间接热交换，粗制氮流90 :帔加热以形成气流12,气流12 ^f皮引入电驱动氧气分离i殳备10内以 生产纯化气流14。作为此热交换的结果，气流12具有的温度接近 电驱动氧气分离设备10的操作温度。trim加热器94可用于将气流12 最终加热至电驱动氧气分离设备10的操作温度。作为此热交换的结 果，通过换热器92后的纯化气流14被冷却至室温或接近室温。另 外，部分气流12可用于形成吹扫流42以吹扫和除去由电驱动氧气 分离设备10透过的氧气。在例证性的操作模式下，粗制氮流优选地包含约0.5体积百分
比的氧气并在换热器92内被加热至约700°C。在约700。C下操作的 电驱动氧气分离设备10需要5(TC的升温以弥补环境热损失，或者 说需要每100 scfh(标准立方英尺/小时)粗制氮气大约113瓦特。因为 在该操作条件下，电驱动氧气分离设备10需要大约93瓦特(每100 scfh粗制氮气)，而trim加热器94维持稳定的操作温度还需要约20 瓦特(每100 scfh粗制氮气)。
优选地，粗制氮流90具有以体积计约0.05%至约2%的氧气浓 度。更优选地，该氧气浓度以体积计约0.1%至约1%。最优选地， 该氧气浓度以体积计约0.15%至约0.5%。根据计算，在粗制氮流以 体积计含氧约1.5%时，电驱动氧气分离设备10的用电最少。包括 变压吸附单元在内，整个系统的最小造价在粗制氮流以体积计含氧 约为0.15%时实现。大体上，对于10,000 scfli的系统，当粗制氮流 以体积计含氧约0.15%至约0.5%时将实现最低总成本。
在电驱动氧气分离设备10启动的过程中，变压吸附单元或膜分 离单元应在较低负载下操作，从而使粗制氮流90以较低流速、较高 纯度生成。这允许用户在电驱动氧气分离设备10正^皮加热时收到产 物。对于大多数变压吸附单元，在启动过程中，它们应在约30%的 负载下操作以生产氧气浓度约为50ppm的粗制氮流90。另外，变压 吸附单元或膜分离单元可以在任何电驱动氧气分离区16、 18和20 的维持期内以这种方式操作。
虽然已参照优选实施方案描述了本发明，但本领域内的技术人 员在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行更改、删除和添加。
1权利要求
1.一种通过除去所述气流中的氧气以纯化气流的方法，该方法包括将所述气流引入一系列在高温下操作的电驱动氧气分离区内以将氧气由气流中分离，从而产生纯化气流；每个电驱动氧气分离区具有电解质和阴极组件与阳极组件，用于对电解质施加电压，以使氧离子转运通过电解质并由电解质出现而重新组合为单质氧气，从而将氧气由气流中分离出来；因氧气在连续的电驱动氧气分离区内被分离，故氧气是在连续降低的分压下由气流中分离出来；每个电驱动氧气分离区能够随着施加于阴极组件和阳极组件的电压的增加，越来越有效地分离氧气，直至达到在电驱动氧气分离区内引起接近极限氧离子电流的氧离子电流这样的水平，此时再增加电压将不能使氧气分离增加，该极限氧离子电流是连续降低的分压的函数，因此对各个连续的电驱动氧气分离区所施加的电压减小；并且对所述电驱动氧气分离区中的每个区施加所选大小的电压，以使氧离子电流接近适用于该区的极限氧离子电流。
2. 权利要求1的方法，其中所述气流为通过蒸发由低温空气分 离厂的粗制氩气塔回收的粗制液态氩流而形成的粗制氩流，该粗制 液态氩流含氧气以体积计为约0.1%至约3%。
3. 权利要求1的方法，其中所述气流为通过蒸发由低温空气分 离厂的粗制氩气塔回收的4且制液态氩流而形成的粗制氩流，该4且制 液态氩流含氧气以体积计为约0.5%至约2%。
4. 权利要求1的方法，其中所述气流是由变压吸附设备或膜分 离设备回收的粗制氮流，该粗制氮流含氧气以体积计约0.05%至约 2%。
5. 权利要求1的方法，其中所述气流是由变压吸附设备或膜分 离设备回收的粗制氮流，该粗制氮流含氧气以体积计约0.1%至约 1%。
6. 权利要求1的方法，其中所述气流是由变压吸附设备或膜分 离设备回收的粗制氮流，该粗制氮流含氧气以体积计约0.15%至约 0.5%。
7. 权利要求2或权利要求4的方法，其中所述氧离子电流为极 限氧离子电流的约80%至约99.9%。
8. 权利要求7的方法，其中所述氧离子电流至少为极限氧离子 电流的约95%。
9. 权利要求2或权利要求4的方法，其中所述电解质是由YSZ 制备，且所述高温为约60(TC至约900°C。
10. 权利要求2或权利要求4的方法，其中所述高温为约65CTC 至约800°C。
11. 权利要求3或权利要求6的方法，其中所述高温为约700°C 至约800 °C。
12. 权利要求2或权利要求4的方法，其中 电驱动氧气分离区是分离的；且最先的电驱动氧气分离区的电解质由8YSZ制备，而随后的 电驱动氧气分离区由6YSZ或3YSZ制备。
13. 权利要求2的方法，其中通过与空气流的间接热交换蒸发粗制液态氩流，从而液化该空 气流并形成待纯化的粗制氩气流；通过与纯化的气流的间接热交换，加热粗制氩气流； 并通过与液态空气流的间接热交换，将所述纯化的气流液化。
14. 权利要求2的方法，其中粗制液态氩流、纯化气流和液态氮流经历间接热交换，,人而蒸 发粗制液态氩流以形成待纯化的粗制氩流，蒸发液态氮流，并将纯化的气流液化；在该纯化的气流参与包含该纯化的气流与粗制液态氩流的热交换前，通过与该纯化的气流的进一步间接热交换加热所述粗制氩流；和通过鼓风机对^L制氩流进一 步加压以将其压力提高至纯化气 流压力之上。
15. 权利要求2的方法，其中在低温空气分离厂的主换热器内蒸发粗制液态氩流并液化产物 流^ 和在该主换热器内液化纯化气流前，通过与该纯化气流进行间接 热交纟奐而加热^L制氩流。
16. 权利要求15的方法，其中低温空气分离厂内待精馏的压缩 纯化空气流在主换热器内冷却，且该低温空气分离厂的氧气产物流 和氮气产物流在该主换热器内加热。
17. 权利要求4的方法，其中所述气流和纯化气流经间接热交 换，以加热该气流并冷却该纯化气流。
18. 权利要求4或权利要求17的方法，其中在电驱动氧气分离 单元启动或维持期间，变压吸附单元或膜分离单元以较低负载操作， 以产生与全负载操作相比纯度更高的粗制氮流。
19. 权利要求1、权利要求2、权利要求4、权利要求13、权利 要求14、权利要求15或权利要求17的方法，其中利用部分所迷 气流形成的吹扫流将所述气流中分离出的氧气由电驱动氧气分离器 中提取出来。
20. 权利要求1、权利要求2、权利要求4、权利要求13、权利 要求14、权利要求15或权利要求17的方法，其中利用吹扫流将 所述气流中分离出的氧气由电驱动氧气分离器中提取出来。
全文摘要
本发明提供了一种通过除去气流中的氧气以纯化气流(12)的方法，其中将气流(12)引入一系列的将氧气由气流(12)中分离出来的电驱动氧气分离区(16，18，20)内。每个电驱动氧气分离区(16，18，20)都具有电解质(34)，其在对中间夹有该电解质(34)的电极(22，24；26，28；30，32)施加电压(38，39，40)时传导氧离子。所选取的施加于分离区(16，18，20)每个电极(22，24；26，28；30，32)的电压(38，39，40)，使得特定区域(16，18，20)内的电解质(34)中引发的离子电流不大于极限电流。当以该方式施加电压(38，39，40)时，所耗电力相比于对所有区(16，18，20)施加恒定电压而消耗的电力减少。气流(12)可以是由粗制氩气塔得到的粗制氩流(60)，或是由变压吸附单元或高分子膜单元得到的粗制氮流(90)。
文档编号C25B1/02GK101495678SQ200680021997
公开日2009年7月29日 申请日期2006年4月19日 优先权日2005年4月22日
发明者B·阿曼, D·P·博纳奎斯特, E·施赖伯, J·A·莱恩 申请人:普莱克斯技术有限公司