Eliminación de contaminantes de gas de alimentación en sistemas de membranas de transporte de iones.

Un método para la producción de oxígeno que comprende

(a) calentar un gas que contiene oxígeno para formar un gas que contiene oxígeno caliente;

(b) poner en contacto el gas que contiene oxígeno caliente, que comprende uno o más compuestos contaminantes seleccionados dentro del grupo compuesto por CrO2(OH)2, Si(OH)4, WO2(OH)2, CrO3, y oxihidróxidos de molibdeno, con un material sólido reactivo en un lecho protector (1701, 1703; 1801, 1803), y extraer del mismo un gas que contiene oxígeno caliente purificado donde se ha reducido la concentración de los compuestos contaminantes; y

(c) poner en contacto el gas que contiene oxígeno caliente purificado con una primera superficie de una membrana que comprende material cerámico mezclado con óxido metálico, permear oxígeno a través de la membrana hasta una segunda superficie de la membrana, y extraer de la misma un producto de oxígeno de alta pureza;

donde el gas que contiene oxígeno caliente se obtiene por combustión directa de un combustible gaseoso con aire y comprende oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y agua, y

donde el material sólido reactivo se selecciona dentro del grupo compuesto por óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de cobre, carbonato de calcio, carbonato de sodio, carbonato de estroncio, óxido de cinc, óxido de estroncio y perovskitas alcalinotérreas.

Eliminación de contaminantes de gas de alimentación en sistemas de membranas de transporte de iones

Antecedentes de la invención

La permeación de iones de oxígeno a través de membranas de transporte es la base para diversos dispositivos de separación de gas y sistemas de reactor de oxidación que operan a elevadas temperaturas, donde el oxígeno permeado se recupera en el lado de permeado como un producto de oxígeno de alta pureza o se hace reaccionar sobre el lado permeado con compuestos oxidables para formar productos oxidados o parcialmente oxidados. La aplicación práctica de estos dispositivos de separación de gas y sistemas de reactor de oxidación requiere conjuntos de membrana con grandes áreas de superficie, medios para poner en contacto el gas de alimentación con los lados de suministro de las membranas, y medios para extraer el gas de producto de los lados de permeado de las membranas. Estos conjuntos de membrana pueden comprender un gran número de membranas individuales dispuestas y montadas en módulos con tuberías de flujo de gas apropiadas para introducir gas de alimentación en los módulos y extraer gas de producto de los módulos.

Las membranas de transporte de iones pueden fabricarse con configuraciones tanto planas como tubulares. En la configuración plana, se fabrican múltiples placas cerámicas planas y se montan en pilas o módulos que tengan medios de tubería para hacer pasar gas de alimentación sobre las membranas planas y extraer gas de producto del lado de permeado de las membranas planas. En las configuraciones tubulares, múltiples tubos de cerámica pueden estar dispuestos en configuraciones de tipo bayoneta, o de carcasa y tubos, con conjuntos apropiados de chapa tubular para aislar los lados de suministro y de permeado de los múltiples tubos.

Las membranas individuales utilizadas en configuraciones de módulos planas o tubulares normalmente comprenden capas muy delgadas de un material de membrana activa soportadas sobre un material con grandes poros o canales que permiten al gas fluir hasta las superficies de las capas de membrana activa, y desde las mismas. El material de membrana cerámico y los componentes de los módulos de membrana pueden verse sometidos a esfuerzos mecánicos significativos durante el funcionamiento en estado estable y, en especial, durante estados inestables como la puesta en marcha, la parada, y en condiciones adversas. Estos esfuerzos pueden estar causados por la expansión y contracción térmica del material cerámico y por la variación dimensional causada por la composición química, o por los cambios de estructura de los cristales debido a cambios en la estequiometría del material de membrana. Estos módulos pueden operar con diferenciales de presión significativos en la membrana y en los sellos de membrana, y los esfuerzos causados por estos diferenciales de presión deben tenerse en cuenta en el diseño del módulo de membrana. Adicionalmente, la relativa importancia de estos fenómenos puede diferir dependiendo de si los módulos operan en separación de gas o en servicio de oxidación. Los potenciales problemas operativos causados por estos fenómenos pueden tener un impacto negativo significativo en la pureza de los productos recuperados y en la vida útil de la membrana.

Los materiales de óxido metálico conductores de iones sólidos utilizados en estos módulos de membrana pueden degradarse en la presencia de contaminantes en fase gaseosa volátil a las elevadas temperaturas operativas requeridas para efectuar la conducción de iones, reduciendo de esta manera la capacidad de las membranas para conducir o permear iones de oxígeno. Debido a este potencial problema, la operación exitosa de los sistemas de membrana de óxido metálico conductores de iones puede requerir controlar ciertos contaminantes en el gas o gases 45 de suministro de la membrana. Esta necesidad se ve atendida por las realizaciones de la presente invención según lo dado a conocer a continuación y según lo definido por las reivindicaciones que siguen.

El documento EP 1 504 811 A1 (Air Products and Chemicals, Inc.) da a conocer un sistema de membrana de transporte de iones que comprende (a) una vasija a presión que tiene un interior, un exterior, una entrada, y una salida; (b) una pluralidad de módulos planos de membrana de transporte de iones dispuestos en el interior de la vasija a presión y dispuestos en serie, comprendiendo cada módulo de membrana un material cerámico mixto con óxido de metal y teniendo una zona interior y una zona exterior, donde cualquier entrada y cualquier salida de la vasija a presión está en comunicación fluida con las zonas exteriores de los módulos de membrana; y (c) uno o más colectores en comunicación fluida con zonas interiores de los módulos de membrana y con el exterior de la vasija a 55 presión.

El documento EP 0 732 138 A2 (Air Products and Chemicals, Inc.) da a conocer módulos planos de membrana de estado sólido para separar oxígeno de una mezcla gaseosa que contiene oxígeno, que proporcionan una integridad neumática y estructural y una facilidad de colección y distribución mejoradas. Los módulos están formados por unidades de membrana planas, donde cada unidad de membrana que comprende un soporte poroso sin canales está conectada a través de una porosidad que está en contacto con una capa conductora mixta de óxido densa que no está conectada a través de porosidad. La capa conductora mixta de óxido densa está situada en comunicación fluida con la mezcla gaseosa que contiene oxígeno a separar, y el soporte poroso sin canales de cada unidad de membrana está situado en comunicación fluida con un medio de extracción para descargar oxígeno que haya sido 65 separado de la mezcla gaseosa que contiene oxígeno por permeación a través de la capa densa conductora mixta de óxido de la unidad de membrana, y para su paso hacia el medio de extracción a través del soporte poroso sin

canales de cada unidad de membrana.

El documento EP 1312407 A1 describe un método para ofrecer a un sistema de membrana conductora de iones protección contra la reacción con dióxido de sulfuro. 5

Breve sumario de la invención

Una realización de la invención se refiere a un método para la producción de oxígeno que comprende calentar un gas que contiene oxígeno para formar un gas caliente que contiene oxígeno; (b) poner en contacto el gas caliente que contiene oxígeno con un material reactivo sólido en un lecho protector y extraer del mismo un gas caliente que contiene oxígeno purificado; y (c) poner en contacto el gas caliente que contiene oxígeno purificado con una primera superficie de una membrana que comprende un material cerámico mixto con óxido de metal, permear oxígeno a través de la membrana hasta una segunda superficie de la membrana, y extraer del mismo un producto de oxígeno de alta pureza. El gas caliente que contiene oxígeno se obtiene por la ignición directa de un combustible gaseoso con aire, y comprende oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, y agua. El gas caliente que contiene oxígeno comprende uno o más compuestos contaminantes seleccionados de entre el grupo que consiste en CrO2 (OH) 2, Si (OH) 4, WO2 (OH) 2, CrO3, y óxidos e hidróxidos de molibdeno. El material sólido reactivo comprende uno o más compuestos seleccionados de entre el grupo que consiste en óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de cobre, carbonato de calcio, carbonato de sodio, carbonato de estroncio, óxido de cinc, y perovskitas que contienen alcalinotérreos. En un aspecto específico de esta realización, el material sólido reactivo puede comprender óxido de magnesio.

Una realización de la invención se refiere a un sistema de membrana de transporte de iones que comprende (a) una vasija a presión que tiene un interior, un exterior, una entrada, y una salida;

(b) una pluralidad de módulos planos de membrana de transporte de iones dispuestos en el interior de la vasija a presión y dispuestos en serie, comprendiendo cada módulo de membrana un material cerámico mixto con óxido de metal y teniendo una zona interior y una zona exterior, donde cualquier entrada y cualquier salida de la vasija a presión está en comunicación fluida con las zonas exteriores de los módulos de membrana;

(c) uno o más colectores en comunicación fluida con zonas interiores de los módulos de membrana y con el exterior de la vasija a presión; y

(d) uno o más lechos protectores, donde cada lecho protector está dispuesto entre dos cualesquiera módulos planos de membrana de transporte de iones adyacentes en el interior de la vasija a presión.

El sistema puede comprender adicionalmente un conducto de contención de fluido dispuesto en el interior de la vasija a presión,... [Seguir leyendo]

1. Un método para la producción de oxígeno que comprende (a) calentar un gas que contiene oxígeno para formar un gas que contiene oxígeno caliente;

(b) poner en contacto el gas que contiene oxígeno caliente, que comprende uno o más compuestos contaminantes seleccionados dentro del grupo compuesto por CrO2 (OH) 2, Si (OH) 4, WO2 (OH) 2, CrO3, y oxihidróxidos de molibdeno, con un material sólido reactivo en un lecho protector (1701, 1703; 1801, 1803) , y extraer del mismo un gas que contiene oxígeno caliente purificado donde se ha reducido la concentración de los compuestos contaminantes; y (c) poner en contacto el gas que contiene oxígeno caliente purificado con una primera superficie de una membrana que comprende material cerámico mezclado con óxido metálico, permear oxígeno a través de la membrana hasta una segunda superficie de la membrana, y extraer de la misma un producto de oxígeno de alta pureza;

donde el gas que contiene oxígeno caliente se obtiene por combustión directa de un combustible gaseoso con aire y comprende oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y agua, y donde el material sólido reactivo se selecciona dentro del grupo compuesto por óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de cobre, carbonato de calcio, carbonato de sodio, carbonato de estroncio, óxido de cinc, óxido de estroncio y perovskitas alcalinotérreas.

2. El método de la reivindicación 1 donde el material sólido reactivo comprende óxido de magnesio.

3. Un sistema de membrana de transporte de iones que comprende 25

(a) una vasija a presión (413) que tiene un interior, un exterior, una entrada y una salida;

(b) una pluralidad de módulos planos de membrana de transporte de iones (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c, 503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) situados en el interior de la vasija a presión (413) y dispuestos en serie, comprendiendo cada módulo de membrana (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c,

503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) un material cerámico mezclado con óxido metálico y teniendo una región interior y una región exterior, donde cualquier entrada y cualquier salida de la vasija a presión está en comunicación fluida con las regiones exteriores de los módulos de membrana (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c, 503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) ;

(c) uno o más colectores de gas (423, 425, 427, 429, 431, 433, 435, 437, 439, 441, 445) en comunicación fluida con las regiones interiores de los módulos de membrana (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c, 503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) y con el exterior de la vasija a presión (413) ; y (d) uno o más lechos protectores (1901, 1903, 1905, 1907, 1909) , donde cada lecho protector está dispuesto entre cualesquiera dos módulos planos de membrana de transporte de iones (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c, 503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) adyacentes en el interior de la vasija a presión (413) ; y donde los lechos protectores comprenden un material sólido reactivo que comprende uno o más compuestos seleccionados dentro del grupo compuesto por óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de cobre, carbonato de calcio, carbonato de sodio, carbonato de estroncio, óxido de cinc, óxido de estroncio y perovskitas alcalinotérreas.

4. El sistema de la reivindicación 3 que comprende adicionalmente un conducto de contención de flujo (511) dispuesto en el interior de la vasija a presión (413) , donde el conducto de contención de flujo (511)

(a) rodea la pluralidad de módulos planos de membrana de transporte de iones (401, 403, 405, 407, 409, 501a, 501b, 501c, 503a, 503b, 503c, 505a, 505b, 505c) y el uno o más lechos protectores (1901, 1903, 1905, 1907, 50 1909) y (b) está en comunicación fluida con cualquier entrada y cualquier salida de la vasija a presión (413) .