MXPA98004444A - Proceso para combustion enriquecida usando sistemas de conductor ionico de electrolito solido - Google Patents

Abstract

Un proceso para separar una corriente de gas de alimentación en una corriente de gas enriquecida en oxígeno la cual es usada en un quemador y una corriente de gas agotado en oxígeno. La corriente de gas de alimentación es comprimida, y el oxígeno es separado de la corriente comprimida de gas de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado. El lado de permeado de la membrana transportadora de iones es purgado con por lo menos una porción de la corriente de gas de productos de combustión obtenida de la combustión en el quemador de la corriente de gas que sale del lado permeado del módulo de transporte de iones.

Description

PROCESO PARA COMBUSTIÓN ENRIQUECIDA USANDO SISTEMAS DE CONDUCTOR IÓNICO DE ELECTROLITO SOLIDO CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a la integración de la combustión mejorada con oxígeno con procesos de separación de oxígeno que emplean membranas de conductor iónico de electrolito sólido, y más particularmente, a la integración de estos procesos para mejorar la eficiencia económica y los problemas relacionados con la contaminación de procesos de combustión. DERECHOS DEL GOBIERNO DE IOS E.U. Esta invención fue realizada con el soporte del Gobierno de los Estados Unidos bajo el Acuerdo de Cooperación No. 70NANB5H1065 otorgado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El Gobierno de los Estados Unidos tiene ciertos derechos en la invención. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Muchos diferentes sistemas de separación de oxígeno, por ejemplo sistemas de membrana de polímero orgánico, han sido usados para separar gases seleccionados del aire y otras mezclas de gas. El airees 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: oxígeno (20.9%), nitrógeno (78%) , argón (0.94%) , con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Sin embargo, un tipo enteramente diferente de membrana puede hacerse a partir de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólido están hechas de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de zirconio estabilizados con calcio o itrio y óxidos análogos que tienen una estructura de fluorita o perovskita. Algunos de estos óxidos sólidos tienen la habilidad de conducir iones oxígeno a temperaturas elevadas si se aplica un potencial eléctrico a través de la membrana, es decir, son conductores iónicos o impulsados eléctricamente solamente. Investigaciones recientes han conducido al desarrollo de óxidos sólidos que tienen la habilidad de conducir iones oxígeno a temperaturas elevadas si se aplica un potencial químico impulsor. Estos conductores iónicos o conductores mezclados impulsados a presión pueden ser usados como membranas para la extracción de oxígeno de corrientes de gas que contienen oxígeno si se aplica una relación de presión parcial de oxígeno suficiente para proveer el potencial químico impulsor. Puesto que la selectividad de estos materiales para oxígeno es infinita y pueden ser obtenidos flujos de oxígeno generalmente de varios niveles de magnitud mayor que con las membranas convencionales, se crean oportunidades atractivas para la producción de oxígeno usando estas membranas de transporte de iones. Aunque el potencial de estos materiales cerámicos de óxidos como membranas de separación es grande, hay ciertos problemas en su uso. La dificultad más obvia es que todos los materiales cerámicos de óxidos conocidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxígeno solamente a temperaturas elevadas. Deben ser operadas usualmente por arriba de 500° C, generalmente en el rango de 600°C-900°C. Esta limitación subsiste a pesar de la mucha investigación para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido es descrita con más detalle en la Patente de E.U. , No. ,547,494 de Prasad et al., titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual es incorporada en la presente mediante referencia para describir más completamente el estado del arte. Sin embargo, los procesos de combustión operan usualmente a alta temperatura y por lo tanto hay el potencial para integrar eficientemente los sistemas de transporte de iones con los procesos mejorados de combustión de oxígeno y la presente invención involucra esquemas novedosos para le integración de sistemas de transporte de iones con procesos mejorados de combustión de oxígeno. La mayoría de los procesos convencionales de combustión usan la fuente de oxígeno más conveniente y abundante, es decir, el aire. La presencia de nitrógeno en el aire no beneficia el proceso de combustión y, al contrario, puede crear muchos problemas. Por ejemplo, el nitrógeno reacciona con el oxígeno a las temperaturas de combustión formando óxidos de nitrógeno (N0?) , un contaminante indeseable. En muchos casos, los productos de combustión deben ser tratados para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno por debajo de límites aceptables ambientalmente. Además, la presencia de nitrógeno incrementa el volumen de los gases de salida lo cual a su vez incrementa la pérdida de calor en el gas de salida y decrece la eficiencia térmica del proceso de combustión. Para minimizar estos problemas, la combustión enriquecida con oxígeno ha sido practicada comercialmente durante muchos años. Hay varios beneficios de la combustión enriquecida con oxígeno (CEO) que incluyen emisiones reducidas (particularmente de óxidos de nitrógeno), eficiencia de energía incrementada, volumen reducido del gas de salida, combustión más limpia y estable y el potencial para la eficiencia termodinámica incrementada en ciclos corriente abajo. Estos beneficios de la CEO, sin embargo, deben ser sopesados contra el costo del oxígeno que tiene que ser obtenido para esta aplicación. Como consecuencia, el mercado para la CEO depende en gran medida del costo de producción de gas enriquecido en oxígeno. Ha sido estimado que se requerirían hasta 100,000 tons. por día de oxígeno para los nuevos mercados de CEO si el costo de gas enriquecido con oxígeno pudiera ser reducido a aproximadamente $15/ton. Parece que los procesos de separación de gases que emplean membranas transportadoras de iones tienen la promesa de alcanzar esta meta. La CEO es discutida en detalle en "Estudio del Rendimiento de Sistemas de Combustión Enriquecida con Oxígeno", de H. Kobayashi, Vol. 1: Análisis Técnico y Económico (Reporte #DOE/ID/12597) , 1986 y Vol. 2: Evaluación de Mercado (Reporte #DOE/ID/ 12597-3), 1987, Union Carbide Company-Linde División, Reportes para el Depto. de Energía de los E.U. , Washington, D.C. La literatura relativa a la tecnología de conductores transportadores de iones para uso en separación de oxígeno de una corriente de gas incluye: Hegarty, Patente de E.U. No. 4,545,787 titulada "Proceso para Producir Oxígeno cerno Sub-Producto de la Generación de Energía por Turbina", se refiere a un método para generar energía a partir de una corriente de aire comprimida y calentada por eliminación de oxígeno de la corriente de aire, quemando una porción de la corriente de aire resultante con una corriente de combustible, combinando el residuo de la combustión con otra porción de la corriente de aire resultante, y expandiendo el producto final de la combustión a través de una turbina para generar energía. Hegarty menciona el uso de membranas de compuestos de plata y membranas de electrolito sólido de compuestos de óxido metálico para eliminar el oxígeno de la corriente de aire. Kang et al., Patente de E.U. , No.5,516,359 titulada "Método Integrado de Alta Temperatura Para Producción de Oxígeno", se refiere a un proceso para separar oxígeno de aire calentado y comprimido usando una membrana de conductor iónico de electrolito sólido en donde el producto no permeado es calentado después y pasado a través de una turbina para generación de energía. Mazanec et al., Patente de E.U., No.5,160,713 titulda "Proceso Para Separar Oxígeno de un Gas que Contiene Oxígeno Mediante el Uso de una Membrana Bi-Conteniendo Óxidos Metálicos Mezclados" , describe materiales que contienen bismuto que pueden ser usados como conductores de iones oxígeno. Tas publicaciones relacionadas con la combustión mejorada o enriquecida con oxígeno (CEO) incluyen los reportes del Dept. de Energía de los E.U. antes mencionados escritos por H. Kobayashi y H. Kobayashi, J.G. Boyle, J.G. Keller, J.B. Patton y R.C. Jain, "Evaluación Técnica y Económica de Sistemas de Combustión Enriquecida con Oxígeno Para Aplicaciones en Hornos Industriales", en Reuniones del Simposio de 1986 Sobre Tecnologías de Combustión Industrial, Chicago, IL, Abril 29-30, 1986 ed. M.A. Lukasiewics, American Society for Metals, Metals Park, OH, que discute los diversos aspectos técnicos y económicos de los sistemas combustión mejorada con oxígeno. la combustión enriquecida con oxígeno ha sido practicada a nivel comercial usando oxígeno obtenido o por destilación criogénica o por procesos no-criogénicos tal como absorción por oscilación de presión (AOP) . Todos esos procesos operan a o por debajo de 100 C y por lo tanto son difíciles de integrar con procesos de combustión. Investigación sobre conductores iónicos de electrolito sólido ha sido llevada a cabo durante muchos años. Los electrolitos sólidos han sido usados principalmente en sensores y células de combustible, y para producir experimentalmente pequeñas cantidades de oxígeno puro a partir del aire, aprovechando la selectividad infinita para el transporte de oxígeno. Las membranas de electrolito sólido impulsadas eléctricamente han sido usadas también para eliminar trazas de oxígeno de corrientes de gases inertes, en donde la aplicación de un voltaje suficiente a la membrana puede reducir la actividad del oxígeno de la corriente de gas retenido hasta un valor muy bajo. Muchos de éstos materiales, sin embargo, no tienen una conductividad apreciable de iones oxígeno. Sólo últimamente han sido sintetizados materiales que tienen conductividades de iones oxígeno suficientemente altas para hacer el proceso de separación de gases viable económicamente. Los procesos comerciales de separación, purificación o enriquecimiento de gases basados en estos materiales aun tienen que ser desarrollados. Los métodos para integrar la separación de oxígeno con la combustión enriquecida con oxígeno tampoco han sido discutidos en el arte anterior. Tos inventores no tienen conocimiento de la descripción anterior de una configuración de proceso para la integración de un sistema de producción de oxígeno basado en transporte de iones con CEO. OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, es un objetivo de la invención eliminar la necesidad de un sistema generador de oxígeno independiente o de suministro de oxígeno y proveer un proceso integrado eficiente para la combustión mejorada con oxígeno integrando térmica y operacionaLímente las diversas operaciones del proceso. Otro objetivo de la invención es minimizar o eliminar la formación de N0? en los procesos del quemador y las pérdidas térmicas debidas al calentamiento del gas nitrógeno. Otro objetivo más de la invención es recuperar una corriente de gas rica en nitrógeno del módulo de transporte de iones para ser usado como sub-producto. Otro objetivo de la invención es controlar la concentración de oxígeno en la corriente de gas de salida usada en el proceso de combustión. RESUMEN DE LA INVENCIÓN La invención comprende un proceso para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental en una corriente de gas enriquecida en oxígeno y una corriente de gas agotado en oxígeno en donde la corriente de gas enriquecida en oxígeno es usada en un quemador, dicho proceso comprendiendo los pasos de (a) comprimir la corriente de gas de alimentación; (b) separar el oxígeno de la corriente comprimida de gas de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana de transporte de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para separar una corriente purificada de gas oxígeno en el lado permeado y agotando correspondientemente el oxígeno en el lado de retenido para producir la corriente de gas agotado en oxígeno, la corriente purificada de gas oxígeno se mezcla con otros componentes gaseosos en el lado permeado para formar la corriente de gas enriquecido en oxígeno; y (c) purgar el lado permeado de la membrana de transporte de iones con por lo menos una porción de una corriente de gas producto de combustión obtenida de la combustión en el quemador de la corriente de gas que sale del lado permeado del módulo de transporte de iones. En una modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de alimentación es aire. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas producto de la combustión usada para purgar el lado permeado de la membrana de transorte de iones incluye un gas reactivo que reacciona con la corriente de gas de oxígeno purificado que penetra a través de la membrana de transporte de iones. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas producto de la combustión es enfriada antes de usarse para purgar el lado permeado de la membrana de transporte de iones. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas que sale del lado permeado del módulo de transporte de iones tiene una concentración de oxígeno de aproximadamente 10% a aproximadamente 90%. En otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas de alimentación es comprimida antes de ser alimentada al módulo de transporte de iones. En otra modalidad preferida de la invención, el quemador está integrado con el módulo de transporte de iones en el lado permeado de la membrana de transporte de iones. En otra modalidad preferida de la invención, por lo menos una porción de la corriente de gas producto de la combustión es usada en un proceso corriente abajo y por lo menos una porción de una corriente de gas producto corriente abajo del proceso corriente abajo puede ser usada para purgar el lado permeado de la membrana de transporte de iones. En otra modalidad de la invención, una corriente de gas que contiene oxígeno es agregada a por lo menos una porción de una corriente de gas producto corriente abajo del proceso corriente abajo y la corriente de gas resultante es pasada a través de un post-quemador para quemar cualquier combustible remanente en la corriente de gas producto corriente abajo. En aun otra modalidad preferida de la invención, el quemador y el proceso corriente abajo están integrados con el módulo de transporte de iones en el lado permeado de la membrana de transporte de iones. En otras modalidades preferidas de la invención, el proceso corriente abajo involucra la oxidación de metales, la purificación de metales por la oxidación de impurezas en los metales, o un alto horno. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas se le ocurrirán a aquellos expertos en el arte de la siguiente descripción de modalidades preferidas y dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte de iones con la combustión enriquecida en oxígeno y un proceso corriente abajo; La Fig. 2 es un diagrama esguem tico que muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte de iones con la combustión enriquecida en oxígeno y un proceso corriente abajo similar a la Fig. 1; La Fig. 3 es un diagrama esquemático similar a la Fig. 2 en donde el quemador está integrado con el módulo de transporte de iones; y La Fig. 4 es un diagrama esquemático que muestra como están integrados el proceso de transporte de iones, el quemador y el proceso corriente abajo en un solo módulo. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención será descrita ahora en detalle con referencia a las Figuras en las cuales numerales de referencia similares se usan para indicar elementos similares. La presente invención revela configuraciones de procesos que permiten la integración atractiva económicamente de la producción de oxígeno por transporte de iones con la combustión enriquecida en oxígeno (CEO). Aunque son preferidos los procesos impulsados a presión por la simplicidad de su diseño, los conceptos descritos aquí son aplicables a sistemas que utilizan o una membrana iónico-conductora solamente" que tiene electrodos y un circuito externo para retorno de electrones o una membrana conductora mixta. Los procesos comerciales actualmente para producción de oxígeno operan típicamente a temperaturas abajo de 100° C. Debido a esta baja temperatura no ganan eficiencias significativas mediante la integración con un proceso de CEO. Las elevadas temperaturas de operación (usualmente mayores a 600° C) hacen al proceso de transporte de iones intrínsecamente bien adecuado para integración con procesos de alta temperatura, tal como combustión, que usan oxígeno. Además, será mostrado que los gases de combustión del tiro de salida pueden ser usados benéficamente para mejorar el rendimiento de la membrana de transporte de iones. Los procesos tradicionales de producción de oxígeno (por ejemplo, PSA, TSA o procesos con base-membrana) no pueden aprovechar fácilmente los gases del tiro de salida por su alta temperatura cuando dejan la cámara de combustión. La esencia de la actual configuración de proceso es una membrana de transporte de iones que emplea una membrana sólida conductora de iones oxígeno o conductora mixta para separar oxígeno de un gas que contiene oxígeno, típicamente, pero no necesariamente, aire, y utilizar el oxígeno separado en un proceso corriente abajo que incluye, pero no limitado a, combustión enriquecida con oxígeno. Para reducir la presión parcial de oxígeno en el lado permeado en la membrana de transporte de iones, se usa un gas agotado en oxígeno (por ejemplo, gases de desperdicio del proceso de combustión o cualquier proceso corriente abajo) como una corriente de gas de purga. Tal purgado mejora grandemente la fuerza impulsora a través de la membrana de transporte de iones y efectúa un flujo alto de oxígeno y un requerimiento menor de área de membrana. Estos beneficios se acumulan aun cuando la corriente de gas de alimentación está a una presión relativamente baja reduciéndose así los requerimientos de energía del sistema a un nivel de interés práctico. La recirculación de los gases de salida de la combustión también es benéfica porque proporciona una corriente díluyente que es importante para controlar la temperatura en el quemador y minimizar la formación de NO? (por ejemplo, a partir del nitrógeno que se infiltra). La eficiencia de este proceso podría ser mejorada también agregando combustible al gas de escape que entra al separador de oxígeno. Esto reduce además la presión parcial de oxígeno en el lado permeado, resultando en flujos de oxígeno aun mayores en el separador de transporte de iones. En algunas modalidades de la invención, el módulo de transporte de iones puede funcionar también como el quemador, eliminando así la necesidad de un quemador separado, a menos que la aplicación requiera una corriente de gas que salga del quemador a una temperatura por arriba de 1100° C, la temperatura máxima de operación de muchas de las membranas de transporte de iones actuales. Debe notarse que el calor necesario para mantener la temperatura del módulo de transporte de iones dentro del rango de operación puede venir de una diversidad de fuentes conocidas por aquellos expertos en el arte, incluyendo por ejemplo, el calor generado en un post-quemador y gases calientes productos de la combustión recirculados, entre otros. En la mayoría de los conductores mixtos, la conductividad electrónica excede grandemente la conductividad de iones oxígeno a las temperaturas de operación de interés, y el transporte global de oxígeno de un lado a otro es controlado por la conductividad de iones oxígeno. Un número de conductores mixtos potenciales han sido identificados en las estructuras cristalinas de la fluorita y la perovskita. El comportamiento de las membranas de transporte de iones ha sido estudiado extensivamente (por ejemplo, para celdas de combustible) y pueden ser modeladas con precisión. La tabla 1 es una lista parcial de conductores mixtos de interés para la separación de oxígeno.

La Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra la integración de la producción de oxígeno por transporte de iones con la combustión enriquecida con oxígeno. Durante la operación, la corriente de gas de alimentación 1 que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, es comprimida a una presión relativamente baja en el ventilador o compresor 2 para producir la corriente comprimida de gas de alimentación 3 la cual es calentada en el cambiador de calor 33 contra la corriente de gas de desperdicio 31 y la corriente producto de gas nitrógeno 37 para producir la corriente entibiada de gas de alimentación 4. La corriente de gas 28 puede ser dividida a partir de la corriente tibia de gas de alimentación 4 y usada en el post-quemador opcional 26 para dejar que la corriente de gas de alimentación 5, la cual es calentada opcionalmente en el calentador 34 produzca la corriente caliente de gas de alimentación 6. La corriente caliente de gas de alimentación 6 entra entonces por el lado de alimentación del módulo de transporte de iones 35 que emplea una membrana de transporte de iones 7 que tiene un lado de retenido 7a y un lado de permeado 7b. Una porción del oxígeno de la corriente caliente de gas de alimentación 6 es removida en el módulo de transporte de iones 35 y la corriente de gas 8 gue sale se hace enriquecida-en-nitrógeno con relación a la corriente de gas de alimentación 1. El lado de permeado 7b de la membrana de transporte de iones 7 es purgado usando la corriente de gas de purga 9 que contiene productos de combustión. La corriente de gas permeada 10 contiene oxígeno y esta corriente de gas 10 es mezclada más tarde con la corriente de gas combustible 11. La corriente de aire 12 puede ser agregada opcionalmente a la corriente de gas 10.

La corriente de gas combustible 13, después de pasar a través de un ventilador opcional (no mostrado), entra entonces al quemador 14. Opcionalmente o además de la corriente de gas combustible 11, la corriente de gas combustible 15 puede ser alimentada directamente al quemador 14. Operando el quemador 14 bajo condición cercana a la estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente de gas de salida 16 puede ser mantenida en niveles bajos. En esta modalidad la ccrriente de gas de salida 16 del quemador 14 es dividida en dos porciones, la corriente de gas 17 y la corriente de gas 18. La corriente de gas 18 es usada en un proceso 19 corriente abajo que requiere entrada de calor y la corriente de gas de salida 20 relativamente más fría del proceso 19 corriente abajo puede ser dividida también en dos porciones, la corriente de gas de salida 21 y la corriente de gas de salida 22. La corriente de gas combustible 25 puede ser agregada a la corriente de gas de salida 21 para producir la corriente de gas 38. La corriente de gas 38 puede ser agregada a la corriente de gas 17 para producir la corriente de gas 9 que entra al módulo de transporte de 5.ones 35 y es usada para purgar el lado de permeado 17b de la membrana de transporte de iones 7. Aunque no se muestra en la presente, la corriente de gas 17 puede ser usada para calentar la corriente tibia de gas de alimentación 5 mediante intercambio de calor para producir la corriente caliente de gas de alimentación 6 en lugar de usar el calentador opcional 34. La corriente de gas de salida 22 alimentada opcionalmente al quemador opcional 26 en donde la corriente de aire 27 o la corriente de gas 28 son agregadas opcionalmente para producir la corriente caliente de gas de desperdicio 29. La corriente caliente de gas de desperdicio 29 puede convertirse en la corriente de gas 30 o en la corriente de gas 31. Como se dijo antes, la corriente de gas 31 se usa en el cambiador de calor 33 para calentar la corriente comprimida de gas de alimentación 3 para producir la corriente de gas de desperdicio 32. La corriente de gas 30 puede ser mezclada con la corriente de gas retenido 8 rica en nitrógeno si el nitrógeno no se va a usar como un sub-producto y si la temperatura de la corriente de gas de salida 30 es adecuadamente alta. La corriente de gas retenido 8 es probable que esté a una presión más alta que la corriente de gas de salida 30 y puede ser necesario liberar la presión excesiva de la corriente de gas retenido 8 usando la válvula de expansión 23 para producir la corriente de gas retenido 34 antes que sea mezclada con la corriente de gas 30. Si se desea la corriente de gas retenido 24 como una corriente de gas producto rica en nitrógeno, las corrientes de gas 36 y 30 no son mezcladas. El uso de una corriente de gas de purga 9 agotado en oxígeno en el módulo de transporte de iones 35 bajara mucho la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado 7b de la membrana de transporte de iones 7 y permite el transporte rápido de oxígeno a través de la membrana 7. Las corrientes de gas combustible 11, 15 y 25 pueden ser introducidas a la configuración del proceso en cualquiera o todos los puntos mostrados en la Fig. 1 para obtener los beneficios de la invención; el uso de por lo menos una corriente de gas combustible es esencial para la invención. Por ejemplo, puede ser deseable agregar la corriente de gas combustible 25 corriente arriba del módulo de transporte de iones 35 para reducir grandemente la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado 7b de la membrana de transporte de iones 7. Esto resultaría también en alguna generación de calor en el módulo de transporte de iones 35 debido a la combustión del combustible, reduciendo así algo de los requerimientos del calentamiento del proceso de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente de gas 8 rica en nitrógeno que sale del módulo de transporte de iones 35 se podría hacer más caliente. Esto podría hacer la transferencia de calor en el cambiador de calor 33 más eficiente, reduciendo así el área requerida para el intercambio de calor y eliminando potencialmente la necesidad del calentador 34 corriente arriba del módulo de transporte de iones 35. Si puede quemarse suficiente combustible en el módulo de transporte de iones 35 en la purga o el lado de permeado 7b de la membrana de transporte de iones 7, se puede eliminar totalmente la necesidad de un quemador separado 14, es decir, el módulo de transporte de iones 35 serviría también como el quemador (como se describe en la Fig.3). En tal situación, puede resultar una simplificación del sistema y reducción de costos significativos. Los arreglos de la purga reactiva están descritos en "Purga Reactiva para Separación de Gases por Membrana de Electrolito Sólido", E.U. Serie No. 08/567,699, presentada el 5 de Diciembre de 1995 e incorporada en la presente mediante referencia. La cofiguración preferida para módulos de transporte de iones que utilizan una purga reactiva están descritos en "Diseño de Reactor de Conductor Iónico de Electrolito Sólido", E.U. Serie No- (Attoney Docket No. D-20352) , presentada el 29 de Abril de 1997 y también incorporada en la presente por referencia. Ambas solicitudes son propiedad común con la presente solicitud. Podría ser ventajoso operar el quemador 14 con una mezcla rica en combustible ligeramente porque esto conducirá a la oxidación parcial del combustible agregado a la corriente permeada de gas 10, resultando en una corriente de gas de salida 16 que contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Como se dijo antes, la corriente de gas 17 es usada opcionalmente para purgar el lado permeado 7b de la membrana de transporte de iones 7. Debe notarse que el gas hidrógeno es un gas altamente reductor con una reactividad mayor que muchos otros combustibles gaseosos, y su presencia en el módulo de transporte de iones 35 resultará en una presión parcial de oxígeno extremadamente baja en el lado de purga 7b de la membrana de transporte de iones 7 y esto permitirá un transporte aun más rápido de oxígeno a través de la membrana transportadora de iones 7. Por supuesto, se podrían alcanzar resultados similares introduciendo gas hidrógeno como una corriente de gas combustible 25, sin embargo, no será efectivo-encostó como el combustible-rico alimentado al quemador 14, puesto que el gas hidrógeno es un combustible relativamente caro. El uso de una alimentación rica-en-combustible para el quemador 14 cerno se describió hace obvia la necesidad para usar un gas hidrógeno pre-producido, puesto que el gas hidrógeno es producido como una parte del ciclo del proceso.

Operando el quemador 14 en una condición rica en combustible, sin embargo, podría causar que las corrientes de gases 18 y 22 contuvieran monóxido de carbono y gas hidrógeno, los cuales pueden ser simplemente venteados a la atmósfera si la concentración es baja. Como se dijo antes, puede ser posible, sin embargo, instalar el post-quemador 26 (quizás catalítico) al cual es agregado aire en exceso 27 para quemar el monóxido de carbono y el gas hidrógeno si sus concentraciones son suficientemente altas. La corriente de gas 28 de la corriente tibia de gas de alimentación 4 también podría ser agregada al post-quemador 26 para proveer los requerimientos del post-quemador. Es interesante notar que en virtud de la recirculación de los productos de la combustión como corriente de gas de purga 9 y debido a la infinita selectividad de la membrana de transporte de iones 7 por oxígeno, es posible limitar el aumento de temperatura de la corriente de gas 13 en el quemador 14 sin la necesidad de aire en exceso y excluir así el nitrógeno del proceso de combustión, lo que elimina la formación de N0?. Este efecto sinergístico es un principio general de la invención y es un aspecto de muchas de las modalidades de la invención. Rangos típicos para parámetros de operación del módulo de transporte de iones usados en la invención son como sigue: Temperatura : Típicamente en el rango de 400-1000° C, y preferiblemente en el rango de 400-800° C. Presión: La presión en el lado de purga será típicamente del rango de 1 a 3 atm. La presión en el lado de alimentación sera de 1 a 3 atm. si el nitrógeno no es un sub-producto, y de 1 a 20 atm. si el nitrógeno es un sub-producto. Conductividad de iones oxígeno (u¡- ) de la membrana transportadora de iones: Típicamente en el rango de 0.01-100 S/cm (1 S=l/ohm) . Espesor de la membrana transportadora de iones: La membrana de transporte de iones puede ser empleada en la forma de una película densa, o una película delgada soportada sobre un substrato poroso. El espesor (t) de la membrana/capa transportadora de iones será típicamente de menos de 5000 micrones; preferiblemente menos de 1000 micrones y más preferiblemente menos de 100 micrones. Configuración: Los elementos de la membrana transportadora de iones pueden ser tubulares o planares. Gomo se dijo antes, membranas asimétricas o compuestas de transporte de iones (es decir, membranas impulsadas a presión) son usadas en los ejemplos discutidos en la presente. Las siguientes propiedades están basadas en valores típicos reportados en la literatura para tales membranas como podrían ser usadas en la presente invención. Espesor efectivo de membrana: 20 micrones Conductividad iónica, j : 0.5 S/cm Temperatura de operación: 800° C Porosidad de substrato: 40% Han sido empleados modelos matemáticos estándar para determinar las condiciones de operación para el proceso mostrado en la Fig. 1, es decir, el requerimiento de área de membrana y los aportes de energías eléctrica y térmica requeridos en varios puntos. Este ejemplo, modelando un proceso que usa una configuración de la Fig. 1, es para propósitos ilustrativos solamente y no se ha hecho ningún intento para optimizar la configuración del proceso. La principal razón de por qué no se ha intentado la optimización es que la optimización está basada generalmente en consideraciones económicas y la producción comercial de sistemas de membrana transportadoras de iones está muy lejos aun de ser madura, y no se disponen en el presente de estimados de costos confiables sobre tales sistemas. Para el presente ejemplo, viendo la Fig. 1, el combustible es agregado al proceso solamente como la corriente de gas combustible 11. Además, la corriente de gas opcional 17 no está considerada, es decir, las corrientes de gas 16 y 18 son idénticas. Además, el nitrógeno no está visto como un sub-producto y la corriente de gas retenido 36, obtenida de la corriente de gas retenido 8 después de reducir la presión excesiva del retenido usando la válvula de alivio 23, es mezclada con la corriente de gas 30, tomada de la corriente de gas de escape 29. En general, sin embargo, no es efectivo bajar la presión de la corriente de gas retenido 8 o agregar la corriente de gas 30 a la corriente de gas retenido 8 corriente arriba del cambiador de calor 33. Puesto que la corriente de gas de escape 22 no contiene monóxido de carbono y gas hidrógeno, el post-quemador 26 no está instalado. Base para el ejemplo: Un proceso corriente abajo que requiere un aporte de calor de 1.26 millones de Kcal/hr.

* Metros Cúbicos por Hora al Nivel del Mar La Fig. 2 es un diagrama esquemático similar a la Fig. 1 que muestra una alternativa más eficiente que usa la instalación de un postquemador catalítico. Durante la operación, la corriente de gas de alimentación 41 que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, es comprimida a una presión relativamente baja por el ventilador o compresor 42 para producir la corriente comprimida de gas de alimentación 43 la cual es calentada en el cambiador de calor 73 contra la corriente caliente de gas de desperdicio 40 y la corriente producto de gas nitrógeno 64 para producir la corriente tibia de gas de alimentación 44. La corriente de gas 70 puede ser dividida de la corriente de gas tibio de alimentación 44 y usada en el post-guemador opcional 69 para dejar que la corriente de gas de alimentación 74 la cual es opcionalmente calentada en el calentador 75 produzca la corriente de gas caliente de alimentación 45. La corriente de gas caliente de alimentación 45 entra entonces al lado de alimentación del módulo de transporte de iones 46 que emplea una membrana de transporte de iones 47 que tiene un lado de retenido 47a y un lado de permeado 47b. Una porción del oxígeno de la corriente caliente de gas de alimentación 45 es removida en el módulo de transporte de iones 46 y la corriente de gas 48 que sale se vuelve rica en nitrógeno con relación a la corriente de gas de alimentación 41. El lado de permeado 47b de la membrana transportadora de iones 47 es purgado usando la corriente de gas de purga 79 que contiene productos de combustión. La corriente de gas permeado 50 contiene oxígeno y esta corriente de gas 50 es mezclada más tarde con la corriente de gas combustible 51. La corriente de aire 52 puede ser agregada opcionalmente La Fig. 2 es un diagrama esquemático similar a la Fig. 1 que muestra una alternativa más eficiente que usa la instalación de un postquemador catalítico. Durante la operación, la corriente de gas de alimentación 41 que contiene oxígeno elemental, usual ente aire, es comprimida a una presión relativamente baja por el ventilador o compresor 42 para producir la corriente comprimida de gas de alimentación 43 la cual es calentada en el cambiador de calor 73 contra la corriente caliente de gas de desperdicio 40 y la corriente producto de gas nitrógeno 64 para producir la corriente tibia de gas de alimentación 44. La corriente de gas 70 puede ser dividida de la corriente de gas tibio de alimentación 44 y usada en el post-quemador opcional 69 para dejar que la corriente de gas de alimentación 74 la cual es opcionalmente calentada en el calentador 75 produzca la corriente de gas caliente de alimentación 45. La corriente de gas caliente de alimentación 45 entra entonces al lado de alimentación del módulo de transporte de iones 46 que emplea una membrana de transporte de iones 47 que tiene un lado de retenido 47a y un lado de permeado 47b. Una porción del oxígeno de la corriente caliente de gas de alimentación 45 es removida en el módulo de transporte de iones 46 y la corriente de gas 48 que sale se vuelve rica en nitrógeno con relación a la corriente de gas de alimentación 41. El lado de permeado 47b de la membrana transportadora de iones 47 es purgado usando la corriente de gas de purga 79 que contiene productos de combustión. La corriente de gas permeado 50 contiene oxígeno y esta corriente de gas 50 es mezclada más tarde con la corriente de gas combustible 51. La corriente de aire 52 puede ser agregada opcionalmente a la corriente de gas 50. La corriente de gas combustible 53, después de pasar a través de un ventilador opcional (no mostrado) , entra entonces al quemador 54. Opcionalmente o además de la corriente de gas combustible 51, la corriente de gas combustible 55 puede ser alimentada directamente al quemador 54. Operando el quemador 54 cerca de la condición estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente de gas de escape 56 puede ser mantenida en niveles bajos. La corriente de gas de escape 56 del quemador 54 puede ser dividida en dos porciones, la corriente de gas 57 y la corriente de gas 58. La corriente de gas 58 es usada en un proceso 59 corriente abajo que requiere aporte de calor y la corriente de gas de escape 60 relativamente más fría del proceso 59 corriente abajo puede también ser dividida en dos porciones, la corriente de gas de escape 61 y la corriente de gas de escape 62. La corriente de gas combustible 65 puede ser agregada a la corriente de gas de escape 61 para producir la corriente de gas 78. La corriente de gas 78 puede ser agregada a la corriente de gas 57 para producir la corriente de gas 79 la cual entra al módulo de transporte de iones 46 y es usada para purgar el lado de permeado 47b de la membrana transportadora de iones 47. Ta corriente de gas de escape 62 puede ser dividida opcionalmente en dos porciones, la corriente de gas caliente de desperdicio 40 y la corriente de gas 77. Como se dijo antes, la corriente de gas caliente de desperdicio 40 es usada en el cambiador de calor 73 para calentar la corriente de gas comprimido de alimentación 43 para producir la corriente de gas de desperdicio 74. La corriente de gas 77 puede ser mezclada con la corri.ente de gas retenido 48 rica en nitrógeno si el nitrógeno no va a ser usado como un sub-producto y si la temperatura de la corriente de gas de escape 77 es adecuadamente alta. La razón para este paso es eliminar cualquier combustible sin reaccionar de la corriente de gas de escape 62 quemándolo en el post-quemador 69 y también para generar energía calorífica para mejorar la eficiencia del cambiador de calor 73. La corriente de gas retenido 48 es probable que esté a una presión mayor que la corriente de gas de escape 77 y puede ser necesario liberar la presión en exceso de la corriente de gas retenido 48 usando la válvula de expansión 63 para producir la corriente de gas retenido 76 antes de ser mezclada con la corriente de gas 77 para producir la corriente de gas 80. La corriente de gas 80 es alimentada al post-quemador opcional 69 en donde la corriente de gas 70 es agregada opcionalmente para producir la corriente de gas caliente de desperdicio 39. En este caso, uno necesitaría asegurar que la corriente 80 contiene suficiente oxígeno para la combustión para continuar hasta la terminación. Cono se dijo antes, la corriente de gas 70 tomada de la corriente de gas tibio de alimentación 44 puede ser agregada opcionalmente al post-quemador 69 para asegurar esto. Debe ser notado que el régimen de flujo de la corriente combinada se incrementa mezclando los gases de escape del módulo de transporte de iones 46 y el proceso 59 corriente abajo. Esto mejora la relación de capacidad del cambiador de calor 73 e incrementa la transferenci.a de calor a la corriente de gas comprimido de alimentación 43. La corriente de gas producto 64 contendrá oxígeno (usado en exceso para asegurar la combustión completa) y productos de combustión si. se usa el post-quemador 69 y la corriente de gas producto 64 es desechada generalmente como una corriente de desperdicio. Como en la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 1, el uso de una corriente de gas de purga 79 agotado en oxígeno en el modulo de transporte de iones 46 bajará considerablemente la presión parcial de oxígeno en el lado permeado 47b de la membrana transportadora de iones 47 y permite el transporte rápido de oxígeno a través de la membrana 47. Las corrientes de gases combustibles 51, 55 y 65 pueden ser introducidas en la configuración del proceso en cualquiera o todos los puntos mostrados en la Fig. 2 para obtener los beneficios de la invención y el uso de por lo menos una corriente de gas combustible es esencial para la invención. Como antes, puede ser deseable agregar la corriente de gas combustible 65 corriente arriba del módulo de transporte de iones 46 para reducir considerablemente la presión parcial de oxígeno en el lado permeado 47b de la membrana de transporte de iones 47. Esto resultaría también en alguna generación de calor en el módulo de transporte de iones 46 debido a la combustión del combustible, reduciendo así algo de los requerimientos de calentamiento del proceso de transporte de oxígeno. En este caso, la corriente de gas 48 rica en nitrógeno que sale del módulo de transporte de iones 46 podría hacerse más caliente y esto haría más eficiente la transferencia de calor en el cambiador de calor 73, reduciendo así el área requerida para el intercambio de calor y eliminando potencialmente la necesidad del calentador 75 corriente arriba del módulo de transporte de iones 46. Si se puede quemar suficiente combustible en el módulo de transporte de iones 46 en el lado permeado o de purga 47b de la membrana transportadora de iones 47, se puede eliminar completamente la necesidad de un quemador 54 separado, es decir, el módulo de transporte de iones 46 serviría también copo el quemador (como se describe en la Fig. 3). En tal situación, puede resultar una simplificación del sistema y una reducción de costos significativas. Como en la modalidad de la invención mostrada en la Fig. 1, puede ser ventajoso operar el quemador 54 con una mezcla ligeramente rica en combustible por que esto conducirá a una oxidación parcial del combustible agregado a la corriente de gas permeado 50, resultando en una corriente de gas de escape 56 que contiene gas hidrógeno y monóxido de carbono. Coto se dijo antes, la corriente de gas 57 es usada opcionalmente para purgar el lado permeado 47b de la membrana transportadora de iones 47 y la presencia de gas hidrógeno en el módulo de transporte de iones 46 dará como resultado una presión parcial de oxígeno extremadamente baja en el lado de purga 47b de la membrana transportadora de iones 47 y esto permitirá un transporte de oxígeno aun más rápido a través de la membrana transportadora de oxígeno 47. El uso de una alimentación rica en combustible para el quemador 54 produce gas hidrógeno como parte del ciclo del proceso. Como se dijo antes, puede ser posible instalar el postquemador 69 (quizas catalítico) para quemar el monóxido de carbono y el gas hidrógeno si sus concentraciones son suficientemente altas. La Fig. 3 es un diagrama esquemático que muestra otra modalidad de la invención en donde el quemador está integrado con el módulo de transporte de iones, es decir, en donde el módulo mismo de transporte de iones sirve como quemador. Durante la operación, la corriente de gas 81 que contiene oxígeno elemental, usualmente aire, es comprimida a una presión relativamente baja en el ventilador o compresor 82 para producir la corriente de gas comprimido de alimentación 83 la cual es calentada en el cambiador de calor 113 contra la corriente de gas caliente de desperdicio 116 y la corriente producto de gas nitrógeno 93 para producir la corriente de gas tibio de alimentación 95. La corriente de gas 110 puede ser dividida de la corriente de gas tibio de alimentación 95 y usada en el post-quemador opcional 109 para dejar que la corriente de gas de alimentación 84, la cual es calentada opcionalmente en el calentador 114, produzca la corriente de gas caliente de alimentación 85. La corriente de gas caliente de alimentación 85 entra entonces por el lado de alimentación del módulo de transporte de iones-quemador 86 que emplea la membrana de transporte de iones 87 que tiene un lado de retenido 87a y un lado de permeado 87b. Una porción del oxígeno de la corriente de gas caliente de alimentación 85 es eliminada en el módulo de transporte de iones-quemador 86 y la corriente de gas saliente 88 se vuelve enriquecida en nitrógeno con relación a la corriente de gas de alimentación 81. El lado permeado 87b de la membrana transportadora de iones 87 es purgado usando la corriente de gas de purga 89 que contiene productos de combustión y combustible. La corriente de gas permeado 90 contiene oxígeno y la corriente de aire 92 puede ser agregada opcionalmente a la corriente de gas 90 para producir la corriente de gas 98. Operando el módulo-quemador 86 de transporte de iones cerca de la condición estequiométrica o ligeramente rica en combustible, la concentración de oxígeno en la corriente de gas de escape 90 puede ser mantenida en niveles bajos. La corriente de gas 98 es usada en un proceso 99 corriente abajo que requiere aporte de calor y la corriente de gas de escape 100 relativamentemás fría del proceso 99 corriente abajo también se divide en dos porciones, la corriente de gas de escape 101 y la corriente de gas de escape 102. La corriente de gas combustible 105 es agregada preferiblemente a la corriente de gas de escape 101 para producir la corriente de gas 89 la cual entra al módulo de transporte de iones-quemador 86 y es usada para purgar el lado permeado 87b de la membrana transportadora de iones 87. La corriente de gas de escape 102 puede ser dividida opcionalmente en dos porciones, la corriente de gas caliente de desperdicio 116 y la corriente de gas 115. Como se dijo antes, la corriente de gas caliente de desperdicio 116 es usada en el cambiador de calor 113 para calentar la corriente de gas comprimido de alimentación 83 para producir la corriente de gas de desperdicio 117. La corriente de gas 115 puede ser mezclada con la corriente de gas retenido 88 rico en nitrógeno si el nitrógeno no se va a usar como un sub-producto y si la temperatura de la corriente de gas de escape 115 es adecuadamente alta. La razón para este paso es remover cualquier combustible sin reaccionar en la corriente de gas de escape 102 por combustión en el post-quemador 109 y generar también energía calorífica para mejorar la eficiencia del cambiador de calor 113. La corriente de gas retenido 88 es probable que esté a una presión mayor que la corriente de gas de escape 115 y puede ser necesario liberar el exceso de presión de la corriente de gas retenido 88 usando la válvula de expansión 103 para producir la corriente de gas retenido 118 antes de ser mezclado con la corriente de gas 115 para producir la corriente de gas 119.

La corriente de gas 119 es alimentada al post-quemador opcional 109 en donde la corriente de gas 110 es agregada opcionalmente para producir la corriente de gas caliente de desperdicio 93. En este caso uno necesitaría asegurarse que la corriente 119 contiene suficiente oxígeno para que la combustión continué hasta su terminación. Como se dijo antes, la corriente de gas 110 tomada de la corriente de gas tibio de alimentación 95 puede ser agregado opcionalmente al post-quemador 109 para asegurar esto. Debe notarse que el régimen de flujo de la corriente combinada es incrementado mezclando los gases de escape del módulo de transporte de iones-quemador 86 y del proceso 99 corriente abajo. Esto mejora la relación de capacidad en el cambiador de calor 113 e incrementa la transferencia de calor a la corriente de gas comprimido de alimentación 83. La corriente de gas 94 contendrá oxígeno (usado en exceso para asegurar la combustión completa) y productos de combustión si el post-quemador 109 es usado y la corriente de gas 94 es desechada generalmente cerno una corriente de desperdicio. En la modalidad de la Fig. 3, el calor de reacción generado en el módulo de transporte de iones-quemador 86 es eliminado de o consumido en el quemador en un proceso de transferencia de calor por convección y/o radiación. Por ejemplo, la membrana transportadora de iones 87 puede estar formada como tubos con la corriente de gas reactivo de purga 89 fluyendo dentro de los tubos. Debido al calor generado en el lado de purga 87b de la membrana transportadora de iones 87 con forma de tubos, los tubos estarán a alta temperatura y actuarán copo elementos calentadores. Los tubos de la membrana transportadora de iones 87 irradiarán al lado de retenido 87a o al lado de permeado 87b en donde un proceso tal como fundido de vidrio o templado de metal puede ser llevado a cabo. También, una parte del valor generado en el módulo de transporte de iones 86 puede ser usado para pre-calentar la corriente de gas comprimido de alimentación 85 y la corriente de gas de purga 89, obviando posiblemente la necesidad del cambiador de calor 113 y el calentador 114. Notar que la carga del horno será colocada en el lado permeado 87b de la membrana transportadora de iones 87 (es decir, el lado con el gas oxidante) en este caso. También es posible integrar el módulo de transporte de iones-quemador con una circulación interna delgas de salida (horno). Si el horno y el módulo de transporte de iones-quemador operan a aproximadamente la misma temperatura (por ejemplo, entre 800-1200° C) , entonces el módulo de transporte de iones-quemador puede ser colocado directamente adentro del horno siempre que la atmósfera del horno esté limpia, es decir, que no contenga ninguna especie perjudicial a la membrana transportadora de iones. Una manera de implementar esta idea está mostrada en la Fig. 4 en la cual el proceso de transporte de iones, quemador y el proceso corriente abajo están todos integrados en una sola unidad. La corriente de alimentación 132 tal como aire calentado es dirigido contra el lado del cátodo 120a de la membrana 120 para producir el retenido caliente agotado en oxígeno 134 tal como nitrógeno. El proceso 130 corriente abajo (por ejemplo, una carga de horno) se muestra en el lado permeado o del ánodo 120b de la membrana transportadora de iones 120. En esta configuración, la corriente de gas combustible 121 es alimentada cerca de la superficie del lado permeado 120b, barriendo y/o consumiendo eficientemente así el oxígeno transportado a través de la membrana transportadora de iones 120. Los productos de combustión en la zona caliente 138 podría ser recirculados en el horno contra el lado del ánodo 120b por convección natural o forzada; para la construcción mostrada en la Fig. 4, la corriente de productos de combustión 146, obtenida preferiblemente del horno 130 como se muestra en lineas punteadas por la corriente 146a, y la corriente de gas combustible 121 son alimentadas opcionalmente a través de la capa porosa distribuidora de combustible 122 adyacente al lado permeado 120b de la membrana transportadora de iones 120. Preferiblemente, la capa distribuidora 122 define por lo menos un pasaje o cámara para distribuir más uniformemente el combustible a través de la membrana 120. El permeado 136 reaccionado que contiene oxígeno y productos de combustión es dirigido al horno 130 a través de la zona caliente 138. Preferiblemente, una porción del nitrógeno caliente 140 es dirigida a través de la válvula 142 para proporcionar una atmósfera inerte sobre el horno 130. Puede ser agregado combustible adicional 144 al horno 130 como se deseé. Eh otra construcción, la membrana transportadora de iones 120 es parte de un módulo separado que es externo al horno 130. En cualquiera de de las construcciones externa o integrada, puede ser establecido un sistema de transporte de iones de dos etapas en el cual el lado del ánodo de la primera etapa es purgado por la corriente de retenido de la primera etapa para producir una corriente de permeado de oxígeno diluido mientras que el lado del ánodo de la segunda etapa es purgado reactivamente para producir una corriente de permeado rica en combustible. Las dos corrientes de permeado son usadas en un horno para combustión con o sin el uso de corrientes de retenido de nitrógeno caliente en la atmósfera del horno. Cuando la temperatura pico del horno es mucho mayor que la temperatura de operación del transporte de iones, una zona del horno con la temperatura "correcta" puede ser seleccionada para la operación del transporte de iones (por ejemplo, sección de precalentamiento de un horno continuo de recalentamiento) , o una cámara especial con caídas de calor apropiadas para controlar la temperatura que puede ser creada. Por ejemplo, en aplicaciones de boiler o calentadores de petróleo, sería factible usar las cargas de calor del horno (es decir, tubos de agua o aceite) para crear una zona de una temperatura óptima para el módulo de transporte de iones. Una gran cantidad de gas de salida es circulada a través de esta zona para purgar continuamente el oxígeno y mantener baja la concentración de oxígeno. Baja concentración de oxígeno y alta circulación del gas del horno proporcionan una sinergia con el método de combustión de oxígeno diluido. Hay muchas ventajas con los procesos integrados de la invención. Por ejemplo, el oxígeno para la CEO puede ser extraído de una corriente gas de alimentación de baja presión usando la corriente de gas de escape para purga y esto resultará en un requerimiento menor de potencia para el proceso de separación de oxígeno. Debido a que solamente pasa oxígeno a través de la membrana transportadora de iones, no se agrega nitrógeno a la corriente de gas de purga que sale del módulo de transporte de iones. Aun si es introducido aire a la mezcla de combustión, ya sea intencionalmente (por ejemplo, la corriente de gas opcional 12) o por fugas, la fracción de nitrógeno en la mezcla de combustión será pequeña. Esto minimizará o eliminará la formación de N0? en el quemador. Además, mezclando adecuadamente los gases de escape tomados antes y después del proceso corriente abajo, es posible controlar la temperatura de entrada de la purga a la deseada en el transporte de iones. Esto puede eliminar la necesidad de pre-calentar el gas de purga independientemente.

Además, si la combustión de todo el combustible puede llevarse a cabo en el módulo de transporte de iones, la unidad separada del quemador puedes ser eliminada. Esto daría una simplificación del sistema y ahorros en costos significativos. Además, si se retira suficiente oxígeno de la corriente de gas de alimentación en el módulo de transporte de iones, entonces la corriente rica en nitrógeno retenida en el módulo de transporte de iones puede ser usada como un sub-producto. Esto puede ser más atractivo si se agrega algo de combustible, por ejemplo, la corriente de gas combustible 11. Si se desea el nitrógeno como un sub-producto, puede ser ventajoso comprimir la corriente de gas de alimentación a la presión requerida para suministrar nitrógeno como producto. Sin embargo, en este caso, la corriente de gas retenido del módulo de transporte de iones puede no ser mezclado con la corriente de gas de escape del proceso corriente abajo. En este caso, o se puede instalar un cambiador de calor separado para recuperar el calor de la corriente de gas de escape, o se puede no intentar la recuperación de calor ya que la corriente de gas de escape generalmente será mucho menor y más fría que la corriente de gas retenido.

Además, el uso de la corriente de gas de purga disminuye la concentración de oxígeno en el lado permeado de la membrana transportadora de iones. La concentración de oxgeno disminuida hace el diseño del módulo de transporte de iones y de los componentes corriente abajo (por ejemplo, el quemador) en el lado de la purga considerablemente mas fácil desde un punto de vista de los materiales. En ausencia de una corriente de purga, sería producido oxígeno puro esencialmente en el lado permeado de la membrana transportadora de iones. El manejo seguro de tal corriente de oxígeno de alta pureza plantea un reto significativo, especialmente a temperatura elevada. Además, la concentración del oxígeno en la salida de la purga puede ser controlada fácilmente por un número de técnicas: por ejemplo, variando el régimen de flujo de la corriente de gas de alimentación, variando el régimen de flujo de la corriente de gas de purga (reciclado incrementado de los productos de combustión) , cambiando la temperatura de operación del módulo de transporte de iones, o variando el área de la membrana de la etapa de transporte de iones. Estas técnicas también son efectivas para controlar la cantidad total de oxígeno separado y podrían ser usadas para propósitos de seguimiento de cargas. Finalmente, el uso de un separador de transporte de iones eliminaría la necesidad de un generador de oxígeno independiente (por ejemplo, AOP) o un sistema de suministro de oxígeno (por ejemplo, tanque y vaporizador de líquidos). Se espera que esto contribuya a una reducción substancial en costo de capital y en el costo del oxígeno producido. Debe ser notado que son posibles una cantidad de modificaciones dentro del espíritu de la configuración de proceso antes discutida. Por ejemplo, puede ser ventajoso usar el gas de escape del proceso corriente abajo para calentar la corriente de gas de alimentación. También es posible agregar algo de aire a la corriente de gas de purga que sale del módulo de transporte de iones. Esto puede ser particularmente deseable para operaciones de arranque o para propósitos de seguimiento de cargas. Además, aunque los procesos aquí descritos son para membranas de de transporte de iones de conductor mixto impulsadas a presión, es que el concepto inventivo es aplicable también a conductores iónicos primarios que son operados en el modo de impulsión a presión o eléctricamente con un retorno externo de corriente. Por último, aunque se describe un proceso de separación de oxígeno a contra-corriente en la Fig.l, el miemo proceso puede ser llevado a cabo también de un modo concurrente o a flujo cruzado. Como se dijo antes, los términos "conductor iónico de electrolito sólido", "electrolito sólido", "conductor iónico" y "membrana de transporte de iones" son usados en la presente generalmente para designar o un sistema tipo iónico (impulsado eléctricamente) o un sistema de tipo conductor mixto (impulsado a presión) a menos que se especifique otra cosa. El término "nitrógeno" como se usa aquí significará usualmente gas agotado en oxígeno, es decir, agotado en oxígeno con relación al gas de alimentación. Como se discutió antes, la membrana transportadora de iones permite solamente la penetración de oxígeno. Por lo tanto, la composición del retenido dependerá de la composición del gas de alimentación. El gas de alimentación será agotado en oxígeno, pero retendrá nitrógeno y cualesquiera otros gases (por ejemplo, argón) presentes en el gas de alimentación. El significado del término será claro al experto en el arte en el contexto del uso del término a la luz de la invención copo se revela en la presente. Como se usa en la presente el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque el oxígeno elemental se encuentra típicamente en forma diatómica, incluye átomos sencillos de oxígeno, ozono triatómico y otras formas sin combinar con otros elementos. El término "alta pureza" se refiere a una corriente de producto que contiene menos de cinco por ciento en volumen de gases no deseados. Preferiblemente, el producto es por lo menos 98.0% puro, más preferiblemente 99.9% puro, y lo más preferiblemente por lo menos 99.99% puro, en donde puro indica una ausencia de gases no deseados. Los sistemas de "absorción por oscilación de presión" o "AOP" se refieren a sistemas que usan materiales de absorción que son selectivos para un gas, típicamente nitrógeno, para separar ese gas de otros gases. Tales materiales incluyen materiales AOP de régimen selectivo, los cuales contienen carbono usualmente y proporcionan nitrógeno de alta presión y oxígeno de baja presión, y materiales AOP selectivos-de-eguilibrio, los cuales contienen litio usualmente y proporcionan nitrógeno de baja presión y oxígeno de alta presión. Aspectos específicos de la invención son mostrados en uno o más de los dibujos solamente para conveniencia, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, pueden hacerse varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Tales modificaciones pueden incluir el uso de camas de absorción por oscilación de presión y oscilación térmica u otros métodos de separación de oxígeno en masa para proveer la función de las membranas poliméricas discutidas antes. Modalidades alternativas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte y se intenta incluirlas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para separar una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental en una corriente de gas enriquecida en oxígeno y una corriente de gas agotado en oxígeno en donde la corriente de gas enriquecido en oxígeno es usada en un quemador, dicho proceso comprendiendo: (a) comprimir la corriente de gas de alimentación; (b) separar el oxígeno de la corriente de gas comprimido de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de retenido y un lado de permeado para separar una corriente purificada de gas oxígeno en el lado permeado y agotando correspondientemente el oxígeno en el lado de retenido para producir la corriente de gas agotado en oxigeno, mezclar la corriente purificada de gas oxígeno con otros componentes gaseosos en el lado permeado para formar la corriente de gas enriquecida en oxígeno; y (c) purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones con por lo menos una porción de una corriente de gas de productos de combustión obtenida de la combustión en el quemador de la corriente de gas que sale por el lado permeado del módulo fe de transporte de iones.
2. 2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente de gas de alimentación es aire.
3. 3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente de gas de productos de combustión usada para purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones incluye un gas reactivo que reacciona con la corriente purificada de gas oxígeno que penetra a través de la membrana transportadora de iones.
4. 4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: enfriar la corriente de gas de productos de combustión antes de ser usada para purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones.
5. 5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente de gas que sale del lado permeado del módulo de transporte de iones tiene una concentración de oxígeno de aproximadamente 10% a aproximadamente 90%. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: calentar la corriente comprimida de gas de alimentación antes de ser alimentada al módulo de transporte de iones. 7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el guemador está integrado con el módulo de transporte de iones en el lado permeado de la membrana transportadora de iones. 8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde por lo menos una porción de la corriente de gas de productos de combustión es usada en un proceso corriente abajo. 9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en donde ambos, el quemador y el proceso corriente abajo están integrados con el módulo de transporte de iones en el lado permeado de la membrana transportadora de iones. 10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en donde por lo menos una porción de la corriente de gas de producto corriente abajo del proceso corriente abajo es usada para purgar el lado permeado de la membrana transportadora de iones.