使用離子遷移膜共同制備氧氣、氫氣和氮氣的方法
【專利說明】使用離子遷移膜共同制備氧氣、氫氣和氮氣的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年12月13日遞交的美國申請N0.13/713，646的權(quán)益，將其內(nèi)容全部引入本文供參考。
[0003]背景
[0004]離子迀移膜(ITM)由離子性和混合導(dǎo)電的陶瓷氧化物組成，所述陶瓷氧化物能在1475-1650F的高溫下傳導(dǎo)氧離子?？諝獗粔嚎s到約230psia，加熱到1650F，并加入ITM中。熱的氧氣滲透通過所述膜。滲透物壓力必須保持在低水平以提供在膜上的氧氣分壓驅(qū)動力。通常，回收50-80%的氧氣是可能的。
[0005]概述
[0006]本發(fā)明提供了一種使用離子迀移膜共同制備氧氣、氫氣和氮氣的方法。此方法包括在離子迀移膜中分離經(jīng)壓縮的熱空氣料流，從而制得產(chǎn)物氧氣料流和熱的富含氮氣的料流；使用至少一部分的熱的富含氮氣的料流作為熱源用于重整烴料流，從而制得合成氣料流和熱的產(chǎn)物氮氣料流；并且將合成氣料流分離成產(chǎn)物氫氣料流和富含二氧化碳的料流。
[0007]在另一個實施方案中，此方法包括在離子迀移膜中分離經(jīng)壓縮的熱空氣料流，從而制得熱的產(chǎn)物氧氣料流和富含氮氣的產(chǎn)物料流；使用至少一部分的熱的產(chǎn)物氧氣料流作為熱源用于重整烴料流，從而制得合成氣料流；并且將合成氣料流分離成產(chǎn)物氫氣料流和富含二氧化碳的料流。
[0008]在另一個實施方案中，此方法包括在第一離子迀移膜中分離至少一部分的經(jīng)壓縮的熱空氣料流，從而制得產(chǎn)物氧氣料流和第一種熱的富含氮氣的料流；將至少一部分的經(jīng)壓縮的熱空氣料流和第一烴料流引入第二離子迀移膜反應(yīng)器中，從而制得第一合成氣料流和第二種熱的富含氮氣的料流，將第一種熱的富含氮氣的料流與第二種熱的富含氮氣的料流合并成產(chǎn)物氮氣料流；將第一合成氣料流和和第二烴料流引入合成氣重整器中，從而制得第二合成氣料流；并且將第二合成氣料流分離成產(chǎn)物氫氣料流和富含二氧化碳的料流。
[0009]在另一個實施方案中，此方法包括將第一烴料流和第一水蒸氣料流引入交換重整器中，從而制得第一合成氣料流，在第一離子迀移膜中分離至少一部分的經(jīng)壓縮的熱空氣料流，從而制得產(chǎn)物氧氣料流和第一種熱的富含氮氣的料流；將至少一部分的經(jīng)壓縮的熱空氣料流和第一合成氣料流引入第二離子迀移膜反應(yīng)器中，從而制得第二合成氣料流和第二種熱的富含氮氣的料流，將第一種熱的富含氮氣的料流與第二種熱的富含氮氣的料流合并成產(chǎn)物氮氣料流；并且將第二合成氣料流分離成產(chǎn)物氫氣料流和富含二氧化碳的料流。
[0010]附圖簡述
[0011]圖1是本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。
[0015]優(yōu)選實施方案的描述
[0016]本發(fā)明的示例性實施方案如下所述。對于本發(fā)明可以進(jìn)行各種改變和采取其它形式，其具體實施方案已經(jīng)如附圖中所示并且如下詳細(xì)說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些具體實施方案的描述并非意欲將本發(fā)明限制為具體公開的形式，而是覆蓋在所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的所有改變、等同形式和可替換形式。
[0017]當(dāng)然可以理解的是，在任何實際實施方案的開發(fā)中，各種對于具體決定的措施必須實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，例如符合與體系相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的規(guī)定，這將根據(jù)實施情況而不同。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜和耗時的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在本發(fā)明公開內(nèi)容的基礎(chǔ)上實施。
[0018]為了降低對于氧氣的壓縮要求，提供了多階段膜體系。氧氣在連續(xù)降低的壓力下取出。
[0019]參見圖1，空氣料流101在壓縮器102中壓縮，從而制得壓縮料流103。壓縮料流103然后通過在換熱器104中與提純的氮氣料流115進(jìn)行間接熱交換而被加熱，從而制得經(jīng)壓縮的熱空氣料流105。熱空氣料流105可以具有800-1000°C的溫度。將熱空氣料流105引入離子迀移膜(ITM) 106，其中形成氧氣產(chǎn)物料流107和熱的富含氮氣的料流108。氧氣產(chǎn)物料流107可以具有約0.5-2.0barA的壓力。氧氣產(chǎn)物料流107可以然后冷卻、壓縮和用于其它下游中(未顯示)。熱的富含氮氣的料流108可以具有約800-1000°C的溫度，并且根據(jù)在離子迀移膜106中回收的氧氣量，也可以具有存在的氧氣。
[0020]熱的富含氮氣的料流108可以與氫氣料流125混合并被引入燃燒室109，從而達(dá)到在料流127中的所需的殘余氧氣水平，以及提高此料流的溫度。旁路料流130和/或受熱料流127合并成氮氣料流110，其然后引入換熱器重整器111中。另外，將烴料流112和水蒸氣料流113引入換熱器重整器111中，在這里利用料流110的熱量制備合成氣料流114。經(jīng)燃燒的富含氮氣的殘余料流115是高純度的氮氣料流，在至少一部分其熱量用于換熱器重整器111中之后將其輸送到空氣加熱器104，從而提供額外的熱量。在與壓縮料流103進(jìn)行間接熱交換之后，經(jīng)冷卻的氮氣料流126可以用于下游或其它工藝中(未顯示)。
[0021]然后將合成氣料流114引入水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器116中，在這里制備轉(zhuǎn)換料流117。然后可以在二氧化碳去除裝置118中用溶劑例如胺從經(jīng)轉(zhuǎn)換的合成氣料流117中除去富含二氧化碳的料流119。二氧化碳的去除是任選的。提純過的轉(zhuǎn)換合成氣料流120是通過二氧化碳去除裝置118制得的。
[0022]將提純過的轉(zhuǎn)換合成氣料流120引入PSA121中，在這里得到尾氣料流122和富含氫氣的料流123。富含氫氣的料流123中的一部分125可以在燃燒室109中用作燃料，其余部分124被取出用于其它用途。尾氣料流122可以含有未轉(zhuǎn)化的014和CO以及未轉(zhuǎn)化的H2，并且可以用作燃料。
[0023]從各種料流例如合成氣出口重整器回收熱量，并且沒有顯示轉(zhuǎn)換反應(yīng)器。熱量可以用于產(chǎn)生水蒸氣或加熱工藝料流。在對經(jīng)提純的氮氣進(jìn)行冷卻時回收通過氫氣和氧氣燃燒制得的水。這種冷凝物可以用于產(chǎn)生水蒸氣重整所需要的水蒸氣。
[0024]參見圖2，空氣料流201在壓縮器202中壓縮，從而制得壓縮料流203。壓縮料流203然后通過在換熱器204中與提純的氮氣料流215進(jìn)行間接熱交換而被加熱，從而制得經(jīng)壓縮的熱空氣料流205。熱空氣料流205可以具有800-1000°C的溫度。將熱空氣料流205引入離子迀移膜(ITM) 206，其中形成氧氣產(chǎn)物料流207和熱的富含氮氣的料流208。氧氣產(chǎn)物料流207可以具有約0.5-2.0barA的壓力。氧氣產(chǎn)物料流207可以然后冷卻、壓縮和用于其它下游中(未顯示)。熱的富含氮氣的料流208可以具有約800-1000°C的溫度，并且根據(jù)在離子迀移膜206中回收的氧氣量，也可以具有存在的氧氣。
[0025]熱的富含氮氣的料流208可以與氫氣料流225混合并被引入燃燒室209，從而達(dá)到在料流215中的所需的殘余氧氣水平，以及提高此料流的溫度。經(jīng)燃燒的富含氮氣的殘余料流215是高純度的氮氣料流，將其輸送到空氣加熱器204，從而提供額外的熱量。在與壓縮料流203進(jìn)行間接熱交換之后，經(jīng)冷卻的氮氣料流226可以用于下游或其它工藝中(未顯示)O
[0026]氧氣產(chǎn)物料流207的一部分210與烴料流212合并，并且將水蒸氣料流213引入自熱重整器211中，在這里至少部分地利用料流210的熱量以制備合成氣料流214。將合成氣料流214冷卻(未顯示)，然后引入水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器216中，在這里制備轉(zhuǎn)換料流217。然后可以在二氧化碳去除裝置218中用溶劑例如胺從經(jīng)轉(zhuǎn)換的合成氣料流217中除去富含二氧化碳的料流219。二氧化碳的去除是任選的。提純過的轉(zhuǎn)換合成氣料流220是通過二氧化碳去除裝置218制得的。
[0027]將提純過的轉(zhuǎn)換合成氣料流220引入PSA221中，在這里得到尾氣料流222和富含氫氣的料流223。富含氫氣的料流223中的一部分225可以在燃燒室209中用作燃料，其余部分224被取出用于其它用途。尾氣料流222可以含有未轉(zhuǎn)化的014和CO以及未轉(zhuǎn)化的H2，并且可以用作燃料。
[0028]從各種料流例如合成氣出口重整器回收熱量，并且沒有顯示轉(zhuǎn)換反應(yīng)器。熱量可以用于產(chǎn)生水蒸氣或加熱工藝料流。在對經(jīng)提純的氮氣進(jìn)行冷卻時回收通過氫氣和氧氣燃燒制得的水。這種冷凝物可以用于產(chǎn)生水蒸氣重整所需要的水蒸氣。
[0029]參見圖3，空氣料流301在壓縮器302中壓縮，從而制得壓縮料流303。壓縮料流303然后通過在換熱器304中與提純的氮氣料流315進(jìn)行間接熱交換而被加熱，從而制得經(jīng)壓縮的熱空氣料流305。熱空氣料流305可以具有800-1000°C的溫度。將熱空氣料流305引入第一離子迀移膜(ITM) 306中，其中形成氧氣產(chǎn)物料流307和第一種富含氮氣的料流308。氧氣產(chǎn)物料流307可以具有約0.5-2.0barA的壓力。氧氣產(chǎn)物料流307可以然后冷卻、壓縮和用于其它下游中(未顯示)。第一種富含氮氣的料流308可以具有約800-1000°C的溫度，并且根據(jù)在離子迀移膜306中回收的氧氣量，也可以具有存在的氧氣。
[0030]第一種富含氮氣的料流308可以然后與氫氣料流325和第二種富含氮氣的料流310混合，并被引入燃燒室309，從而達(dá)到在料流315中的所需的殘余氧氣水平，以及提高此料流的溫度。經(jīng)燃燒的富含氮氣的殘余料流315是高純度的氮氣料流，將其輸送到空氣加熱器304，從而提供額外的熱量。在與壓縮料流303進(jìn)行間接熱交換之后，經(jīng)冷卻的氮氣料流326可以用于下游或其它工藝中(未顯示)。
[0031]將熱空氣料流305的一部分327引入離子迀移膜反應(yīng)器328中。將至少一部分的膜312和水蒸氣313的混合物料流