AT526481A1 - Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff mit Hilfe eines Perowskite Membranreaktor - 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.
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.
ton 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.
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 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. ;
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,
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,
; 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,
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.
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 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,
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.
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.
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.
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,
a SON
alt werden 10 und dabei Wärme mit einen schr
ÜF
Der Reaktor kann thermisch gek
3
Anteil an Exergie IEWONE n werden. Die Kühlleistung Befrägt 10 KWh bis 10000 KWh,. Damit
kann man den Reaktor 9 Immer auf eine gewünschte TemGeratur ausredgeln un:
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. ;
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,
4 Sauerstoff reiches Gas
2 Veardichter
3 Regelarmatur
4 Wärmetauscher SauersigH und Sauerstoff reiches Gas 5 Wärmetauscher mit Kondoensetabscheidung
5 Vakuumverdichter
7 Regelarmatur
8 Sausrstoff
9 Membranreaktor
10 Kühlung des Membranreaktors
11 Sauerstoffkammer
412 Perowskite Membran
13 elektrischer Heizstab
14 elektrischer Heizstab
165 sauerstoffreiches Gas
16 thermische Heizung
17 Reaktorkammer ; ; 18 Wärmetauscher sauerstoffreiches Gas und abgereichertes Gas 19 Wärmetauscher mit Kondensatabscheidung
20 Regelarmatur ;
21 Sauerstoff abgereichertes Gas
22 Regelarmatur
23 Kandensat
Symbole
O2 Sauerstoff
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.
Das
ya rt
3
Claims (1)
1. Ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff (8) mit Se eines Mernbranreskter (9) aus einem zugeführten sauerstoffreichen Qas {1},
umfassend folgende. Schritte
Bereitstellung von Sauerstoffreichen Gas DD wobes) der Sauerstoffartell N einen Wert minimal 10%, maximal 50% hat, woher dar Wort mindma) 0,74
1,5 bar hat, wobei die Ternperalur einen Wert en 10°C, maximal SO°C hat Wobei der Massenstrom des Cases {1} einen Wort minimal 1koalh, m 1 10000 | KO hat, wobei die Restgase des Oases CS aus Kohlendioxid und Stickstoff einen Wert minimal von. 50%, maximal 90% haben
- Verdichten von sauerstoffreichem Gas (1) mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen Kolbenverdichters (2), wobei das Gas (1) auf einen Druck minimal 2 bar, maximal 16 bar verdichtet wird, wobei der Massenstrom des Gases (1) einen Wert minimal 1kalh, maximal 10000 kalh hat, wobel das verdichtete Gas (1) eine Temperatur minimal von 100°C, maximal 250°C hat,
Erwärmen von Sauerstoffreichem Gas (1) mit einem Wärmetauscher (4), wobei das Gas (1) einen Druck minimal 7 bar, maximal 16 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 100°C, maximal 300°C hat, wobei der Massenstrom des Gases (1) einen Wert minimal 1kg/h, maximal 10000 kalh hat ;
- Erhitzen von Sauerstoöffreichem Gas {1} mit einem Wärmetauscher (18), wobei das Gas (1) einen Druck minimal 2 bar, maximal 16 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 300°C, maximal 600°C hat, wobei der Massenstrom des Gases (1) einen Wert minimal 1kga/h, maximal 10000 kaflı hat
- Abtrennen des Sauerstoffes (8) in einem Membranreaktor (9), wobei die Membran (12) aus einer Perowskiter Struktur aus Lanthan, Strontium und Eisenoxid ( Laos Star FeOs-s), wobei die Temperatur einen Wert minimal 600°C, maximal 1200°C. hat, wobei der Druck einen Wert minimal 2 bar, maximal 16 bar hat, wobei der Reaktor thermisch beheizt (16) werden kann minimal mit 100kW, maximal mit S5000KW, wobei der
° Reaktor thermisch gekühlt (10) werden kann minimal mit 1T00KW, maximal mit 5000kW, wobei der Reaktor (9) auch elektrisch beheizt werden kann (13,14) mif einer ‚Leistung minimal mit 1O0KW, maximal mit 5000KW, wobei die Perowskite Membran einen Sauerstoffianenfluss minimal von 1,0 10° mol O,/ m? sec, maximal 4,0 103 mol O,/ m? sec hat,
_- Abkühlen von Sauerstoff abgereicherten Gas (17) mit einem Wärmetauscher (18), wobei das Gas {1} einen Druck minimal 2 bar, maximal 16 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal von 300°C, maximal 600°C hat, wobei der Massenstrom des Gases {1} einen Wert minimal 0,1kg/h, maximal 1000 kg/h hat
- Heraussaugen des Sauerstoffes (11) aus dem Membranreakter (9) mit Hilfe eines elektrisch betriebenen Vakuumverdichter (6), wobel der. Druck auf der Sauerstoffseite {11} der Membran (12) im Reaktor (9) einen Wert minimal 0,001bar, maximal 0,% bar hat, wobei der Sauerstoff (11} eine Temperatur minimal 600°C, maximal 1200°C hat, wobei der Massenstrom an Sauerstoff (11) einen Wert minimal 0,1 kalh, maximal 1000 ka/h hat,
- Verdichten des gewonnen Sauerstoffes (8) mit Hilfe eines elektrisch betriebenen Vakuumverdichters (6), wobei der Druck einen Wert minimal von 1,1 bar, maximal 1,5 Dar hat,
= Bereitstellen des gewünschten Sauerstoffes (8), wobel der 7 Druck ein en Wart minimal van 1,1 bar, maximal 1,5 ar hat, wohel die Tor . ; maximal 250°C hat, wobei der Massensirom an A Baus kalh, maximal 1000 kalh hat,
Sry MAhoart A
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- 2022-09-13 AT ATA178/2022A patent/AT526481A1/de not_active Application Discontinuation
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