AT526481A1 - Process for producing oxygen using a perovskite membrane reactor - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff (8) aus einem zugoführten Sauerstoffrichomn Gas (1 ), das verdichtet wird (2) und über die Wärmetauschar (4) und (18) erwärmt wird und einem Reaktor (9) zugeführt wird. In dem Reaktor (9) wird der Sauerstoff über einen Sauerstoff Ionen leitenden Perwoskite Membran von dem zugeführten Gas abgetrennt. Der Reaktor (9) kann elektrisch beheizt ( 13, 14) werden, zudem kann der Reaktor thermisch mit externer Wärme ( 16) beheizt werden, und kann thermisch (10) gekühlt werden. Der Sauerstoff (8) wird mit Hilfe einer Vakuumverdichters aus der Kammer (11) abgesaugt, über die Wärmetauscher (4,5) abgokh!t und auf cinon gwünschten Druck vor!ic'tot und als gewünschtes Produkt (8) bereitgestellt. Das von Sauerstoff abgereicherte Cas wird über dio Wärmetauscher (18, 19) abgekühlt und als Prozessgas (21) zur Verfügung gestellt.A process for obtaining oxygen (8) from a supplied oxygen rich gas (1), which is compressed (2) and heated via the heat exchanger (4) and (18) and fed to a reactor (9). In the reactor (9), the oxygen is separated from the supplied gas via a Perwoskite membrane that conducts oxygen ions. The reactor (9) can be heated electrically (13, 14), the reactor can also be heated thermally with external heat (16) and can be cooled thermally (10). The oxygen (8) is sucked out of the chamber (11) with the help of a vacuum compressor, extracted via the heat exchanger (4,5) and brought to the desired pressure and provided as the desired product (8). The oxygen-depleted Cas is cooled via the heat exchanger (18, 19) and made available as process gas (21).
Description
Ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff 8 ads einem zugeführten Sauersfoffreichem Gas. 1, das verdichtet wird 2 und über die Wärmstauscher 4 und 18 erwärmt wird und einem Reaktor 9 zugeführt wird. In dem Reaktor 9 wird der Sauerstoff über einen Sauerstoff Iarı leitenden Perwoskite Manılran von dom Zuge elektrisch beheizt 13,14 werden, zudem kann der Resktor ihermisch mit ex Y beheizt werden, und kann thermisch 10 gekühlt werden. Dar Sauerstoff S wird mit Hife einer Vakuumverdichters aus der Kammer 11 abgesaugt, über die Wärmetauscher 4,5 abgekühlt und auf einen gewünschten Druck verdichtet und als gewünschtes Pradukt 8 bereitgestellt, Das: van Sauerstoff abgereicherte Gas wird über die Wärmetauscher 18,19 abgekühlt und als Prozessgas 21 zur Verfügung gestellt. A process for obtaining oxygen from an oxygen-rich gas supplied. 1, which is compressed 2 and heated via the heat exchangers 4 and 18 and fed to a reactor 9. In the reactor 9, the oxygen will be electrically heated 13,14 via an oxygen-conducting perwoskite manılran from the train, and the reactor can also be heated thermally with ex Y and can be thermally cooled 10. The oxygen S is sucked out of the chamber 11 using a vacuum compressor, cooled via the heat exchangers 4,5 and compressed to a desired pressure and provided as the desired product 8. The oxygen-depleted gas is cooled via the heat exchangers 18,19 and as Process gas 21 provided.
ton CAS: ANSEEONGIAN NS sound CAS: ANSEEONGIAN NS
Sauerstoff ist eines der grundlegenden und lebenserhaltenden Gase in der Umweltchemie und Prozesschemie. Mit Hilfe von Sauerstoff werden Oxidationsprozesse umgesetzt. Sauerstoff kann man mit Hilfe von Luft verwenden, dem bekannten Luftsauerstoff, Der Nachteil ist, dass der Sauerstoff mit Gasen wie Edelgasen und Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf zu Luft gemischt ist. Oxygen is one of the fundamental and life-sustaining gases in environmental and process chemistry. With the help of oxygen, oxidation processes are implemented. Oxygen can be used with the help of air, the well-known atmospheric oxygen. The disadvantage is that the oxygen is mixed with gases such as noble gases and nitrogen, carbon dioxide and water vapor to form air.
Um technisch reinen Sauerstoff zu gewinnen sind.die Verfahren der Membranabtrennung mit Hilfe von Hohlfasern bekannt, der Druckwechseladsorption bekannt. Diese Verfahren werden bei Umgebungstemperatur betrieben, In order to obtain technically pure oxygen, the processes of membrane separation with the help of hollow fibers are known, known as pressure swing adsorption. These processes are operated at ambient temperature,
In chemischen Prozessen, die bei Temperaturen von 800°C his 1200°C betrieben werden stehen oftmals Case mit Sauerstoff als Gasgemisch zur Verfügung. Die oben genannten verfahren wie Hahlfasermembranabtrennung oder Druckwechseladsoarption sind energetisch sehr aufwendig. Gesucht ist ein Verfahren zur Gewinnung von. Sauerstoff mit Hilfe thermischer Energie. ; In chemical processes that operate at temperatures of 800°C to 1200°C, cases with oxygen are often available as a gas mixture. The above-mentioned processes such as hollow fiber membrane separation or pressure swing absorption are energetically very complex. We are looking for a process for obtaining. Oxygen with the help of thermal energy. ;
Die Aufgabe, die nun gestellt wird, ist es ein Verfahren zu finden, mit dem man Sauerstoff aus der Luft oder aus künstlichem Gasgemisch, in dem Sauerstoff enthalten ist, zu finden, das auf der Basis elektrischer Energie, oder thermischer Energie arbeitet und einen sehr geringen elektrischen Energieverbrauch aufweist, The task that is now being set is to find a method to extract oxygen from the air or from artificial gas mixtures containing oxygen, which works on the basis of electrical energy or thermal energy and has a very low electrical energy consumption.
Molekularer Sauerstoff jet in farbe seruch- und geschn OKI CO a, wollen Del. 182,97 °C zu einer farblosen Flüs: Sigkolt Kon densieart. in dicken 8 Schichten ze dit und füssiger Sauerstoff eine Qjaue Farbe, Molecular oxygen jet in color safe and clean OKI CO a, want Del. 182.97 °C to a colorless liquid: Sigkolt condensate type. in thick 8 layers ze dit and liquid oxygen a Qjaue color,
; SITESSF ; SITESSF
Sauerstoff jst in Wasser wenig löslich (49,1 ml in. 11 Wasser bei 0°C) Die Löslichkeit ist abhängig vom Druck (14,16 mg/l bei 0 °C und bei 1013,25 hPa) und der Temperatur; sie steigt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck, Oxygen is slightly soluble in water (49.1 ml in 11 water at 0°C). The solubility depends on the pressure (14.16 mg/l at 0°C and at 1013.25 hPa) and the temperature; it increases with decreasing temperature and increasing pressure,
Gasförmiger Sauerstoff ist relativ reaktionsträge, viele Reaktionen finden bei Normalbedingungen gar nicht oder nur langsam statt, Der Grund hierfür Hegt darin, dass Sauerstoff metastabil und kinetisch gehemmt ist. Zur Reaktion werden entweder eine hohe Aktivierungsenergie oder sehr reaklive Radikale benötigt. Diese Barriere kann durch Temperaturerhöhung, Licht oder Katalysatoren (beispielsweise Platin) überschritten werden, Diese Eigenschaft von Sauerstoff 5 nutzt diese Erfindung aus. Gaseous oxygen is relatively inert; many reactions do not take place at all or only take place slowly under normal conditions. The reason for this is that oxygen is metastable and kinetically inhibited. The reaction requires either a high activation energy or very reactive radicals. This barrier can be exceeded by increasing temperature, light or catalysts (e.g. platinum). This invention exploits this property of oxygen 5.
In chemischen Prozessen gibt es Caszusammensetzungen mit Sauerstoff, wobei der Sauerstoff mit Hilfe dieser Erfindung thermisch abgetrennt werden kann. Die Abtrennung erfolgt in dem Membranreaktor über Perowskite Membranen 12, Perowskite Membranen bestehen aus 3 Komponenten und werden allgemein mit ABO bezeichnet, wobei es sich um eine Perowskite Struktur handelt. Die Komponente A sind. in der Regel La, Sr, Ba, Ca... die Komponente B sind in der Regel Fe, Zr, Ni, Ti Co... Die Komponente O bezeichnet den Sauerstoff. In chemical processes there are cas compositions with oxygen, whereby the oxygen can be thermally separated using this invention. The separation takes place in the membrane reactor via perovskite membranes 12. Perovskite membranes consist of 3 components and are generally referred to as ABO, which is a perovskite structure. The component A are. usually La, Sr, Ba, Ca... the component B is usually Fe, Zr, Ni, Ti Co... the component O refers to oxygen.
In dieser Eräindung Membranen mit folgender Zusammensetzung werden verwendet: Law) Stan Fe Oas - Dabei bezeichnet La das Element Lanthan, Sr das Element Strontium, Fe. das Element Eisen und © das Element Sauerstoff, Der Vorteil dieser Zusammensetzung. der Membranen ist, die Membranen kann man sehr einfach und kostengünstig durch heißisostatisches Pressen und Sintern erzeugen. Die Elemente Strontium, Eisen, Lanthan sind ausreichend in der Erdkruste vorhanden, Die Dicke der Membranen beträgt 0,4 mm bis 1,0 mm und der Sauerstoffiuß durch die Membran beträgt 1,75 100% molim’/sec bei 900°C, In this invention, membranes with the following composition are used: Law) Stan Fe Oas - La denotes the element lanthanum, Sr denotes the element strontium, Fe. the element iron and © the element oxygen, The advantage of this composition. of the membranes, the membranes can be produced very easily and inexpensively by hot isostatic pressing and sintering. The elements strontium, iron and lanthanum are sufficiently present in the earth's crust. The thickness of the membranes is 0.4 mm to 1.0 mm and the oxygen flow through the membrane is 1.75 100% molim'/sec at 900°C,
Der Membranreakter besteht aus einer Anzahl von Membranen, die durch gasführende Platten getrennt sind, sodass auf der einen Seite der Membran das sauerstoffangereicherte Gas 17 vorhanden ist und auf der anderen Seite der Membran der Sauerstoff 11 selbst. The membrane reactor consists of a number of membranes that are separated by gas-carrying plates, so that the oxygen-enriched gas 17 is present on one side of the membrane and the oxygen 11 itself is present on the other side of the membrane.
Das sauerstoffreiche Gas 1 wird angesaugt, verdichtet 2 und über die Wärmetauscher 4, 18 erwärmt und dann dem Membranreaktor 9 zugeführt, Das verdichtete Gas hat dabei einen Druck von 2 bar bis 16 bar. The oxygen-rich gas 1 is sucked in, compressed 2 and heated via the heat exchangers 4, 18 and then fed to the membrane reactor 9. The compressed gas has a pressure of 2 bar to 16 bar.
Der Sauerstoff 8 wird aus dem Reaktor mit Hilfe eines Vakuumreaktors 6 abgesaugt. Das Vakuum im Membranreaktor 9 auf der Sauerstoffseite 11 beträgt 0,001 bar bis 0,01 bar und ermöglicht es dem Sauerstoff mit eine hohen Abscheiderate gewonnen zu werden. The oxygen 8 is sucked out of the reactor using a vacuum reactor 6. The vacuum in the membrane reactor 9 on the oxygen side 11 is 0.001 bar to 0.01 bar and enables the oxygen to be obtained at a high separation rate.
Der Mermbranreaktoör 9 kann thermisch heheizt 16 mit einer Leistung von 10 KWh bis 10000 KWh werden, Der Reaktor 9 wird mit einer Temperatur von S00°C his 1200°C GC betrieben, The membrane reactor 9 can be thermally heated 16 with an output of 10 KWh to 10,000 KWh. The reactor 9 is operated at a temperature of S00°C to 1200°C GC,
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alt werden 10 und dabei Wärme mit einen schr grow old 10 and thereby heat with a sharp
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Der Reaktor kann thermisch gek The reactor can be thermally cooled
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Anteil an Exergie IEWONE n werden. Die Kühlleistung Befrägt 10 KWh bis 10000 KWh,. Damit Share of exergy IEWONE n. The cooling capacity ranges from 10 KWh to 10,000 KWh. With it
kann man den Reaktor 9 Immer auf eine gewünschte TemGeratur ausredgeln un: you can always tune the reactor to a desired temperature and:
Hat man elektrische Energie zur Verfügung kann der Reaktor 9 elektrisch 13,14 beheigt werden. Die elektrische Heizleistung beträgt 10 KWh bis 10 000 kwh. ; If electrical energy is available, the reactor 9 can be heated electrically 13,14. The electrical heating output is 10 kWh to 10,000 kWh. ;
Die Anwendung diese Erfindung ist bei der Erzeugung von biogenen Wasserstoff in einem Leistungsbereich von 1 kW thermischer Leistung bis 100 000 KW thermischer Leistung und elektrischer Leistung möglich. Um die mechanischen und energetischen Verluste das Verfahrens gering zu halten, wird die gespeicherte thermische Energie rekuperativ wiedergewonnen. Der Sauerstoff dient dazu die in chemischen benötigte Wärme durch: Oxidation von Gas zu erzeugen. Dabei gewinnt man Wasserdampf und Kohlendioxid, The application of this invention is possible in the production of biogenic hydrogen in a power range from 1 kW of thermal power to 100,000 KW of thermal power and electrical power. In order to keep the mechanical and energetic losses of the process low, the stored thermal energy is recovered recuperatively. The oxygen is used to generate the heat required in chemicals by: Oxidation of gas. This produces water vapor and carbon dioxide,
4 Sauerstoff reiches Gas 4 oxygen rich gas
2 Veardichter 2 Vear poets
3 Regelarmatur 3 Control valve
4 Wärmetauscher SauersigH und Sauerstoff reiches Gas 5 Wärmetauscher mit Kondoensetabscheidung 4 heat exchangers acidic and oxygen-rich gas 5 heat exchangers with condensate separation
5 Vakuumverdichter 5 vacuum compressors
7 Regelarmatur 7 control valve
8 Sausrstoff 8 oxygen
9 Membranreaktor 9 membrane reactor
10 Kühlung des Membranreaktors 10 Cooling of the membrane reactor
11 Sauerstoffkammer 11 oxygen chamber
412 Perowskite Membran 412 Perovskite membrane
13 elektrischer Heizstab 13 electric heating element
14 elektrischer Heizstab 14 electric heating rod
165 sauerstoffreiches Gas 165 oxygen-rich gas
16 thermische Heizung 16 thermal heater
17 Reaktorkammer ; ; 18 Wärmetauscher sauerstoffreiches Gas und abgereichertes Gas 19 Wärmetauscher mit Kondensatabscheidung 17 reactor chamber; ; 18 heat exchangers oxygen-rich gas and depleted gas 19 heat exchangers with condensate separation
20 Regelarmatur ; 20 control valve;
21 Sauerstoff abgereichertes Gas 21 oxygen-depleted gas
22 Regelarmatur 22 control valve
23 Kandensat 23 Kandensat
Symbole Symbols
O2 Sauerstoff O2 oxygen
Die Abbildung 1 zeigt einen Iihermisch betriebenen Membranrsaktor 9 mit eine Sauerstoffkammer 11 und einer Membran 12, Mit Sauorsieff angereicherfes Gas 4 win Ü über einen Verdichter 2 angesaugt verdichtet und über das Reuolarmatur 3 einem Wi ; 4 zugeführt, wobei das Gas 1 erwärmt wird und der aus der Kammer 11 abgesaugte Sauerstoff abgekühlt wire, Dur Sauerstoff wird aus dar? ; Vakuumverdichters 6 abgesaugt und verdichtet und über die Rogekamnatur 7 als gewünschtes Produkt 8 zur Verfügung gestellt, Sauerstoff angereichertes Gas wird über den Wärmetauscher 18 weiter erwärmt und als heißes Gas der Resktorkammer 17 zugeführt, Durch die Membran. 12 wird der Sauerstoff als gewünschtes Produkt von dem zugeführten Gas abgetrennt, Der Reaktor 14 kann elektrisch beheizt 13,14 werden. Zudem kann der Reaktor 11 gekühlt 10 werden und thermisch mit externer Prozesswärme 16 beheizt werden, Das von Sauerstoff abgereicherte Gas wird im Wärmetauscher 19 auf Umgebungstemperatur abgekühlt, mögliches Kondensat 23 abgeschieden und das verbleibende Gas 21 für weitere Prozessnutzung zur Verfügung gestellt. Figure 1 shows a thermally operated membrane reactor 9 with an oxygen chamber 11 and a membrane 12, gas enriched with Sauorsieff 4 win Ü sucked in via a compressor 2 and compressed via the Reuolarmatur 3 to a Wi; 4 is supplied, whereby the gas 1 is heated and the oxygen sucked out of the chamber 11 is cooled, so that oxygen is extracted from it? ; Vacuum compressor 6 is sucked out and compressed and made available via the Rogekamnatur 7 as the desired product 8, oxygen-enriched gas is further heated via the heat exchanger 18 and supplied as hot gas to the resector chamber 17, through the membrane. 12, the oxygen is separated as the desired product from the supplied gas. The reactor 14 can be electrically heated 13,14. In addition, the reactor 11 can be cooled 10 and heated thermally with external process heat 16. The oxygen-depleted gas is cooled to ambient temperature in the heat exchanger 19, possible condensate 23 is separated and the remaining gas 21 is made available for further process use.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REJ | Rejection |
Effective date: 20240715 |