CS198718B1

CS198718B1 - Method for the separation of oxygen from inert gases and device for making the method

Info

Publication number: CS198718B1
Application number: CS229678A
Authority: CS
Inventors: Jaroslav Kokes; Ivo Masin; Ales Koller; Karel Paul
Original assignee: Jaroslav Kokes; Ivo Masin; Ales Koller; Karel Paul
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1980-06-30

Description

Vynález se týká způsobu odlučování kyslíku z inertních plynů a zařízení k provádění tohoto způsobu, kterým lze dosáhnout velmi nízké zbytkové množství kyslíku v čištěných inertních plynech, aniž by se přitom tyto plyny znečisťovaly jinou látkou.The invention relates to a process for the separation of oxygen from inert gases and to an apparatus for carrying out the process by which a very low residual amount of oxygen in the purified inert gases can be achieved without contaminating the gases with another substance.

Dosud se k odlučování kyslíku z inertních plynů nejčastěji používá dvou hlavních metod. V první se do čištěného inertního plynu přidává poměrné množství vodíku, který na sebe na vhodném katalyzátoru váže kyslík a ve formě vzniklé vody je ze směsi odstraňován například molekulovým sítem. Nedostatkem této metody je obtížné určení a dodržení přesného poměrového množství vodíku, které musí být regulováno podle okamžitého, obvykle kolísajícího množství kyslíku. Následkem toho bývá přiváděn buS přebytek vodíku, který potom zůstává v čištěném plynu, nebo se přidává menší množství vodíku a v plynu je i nadále zbytek kyslíku. Při druhé metodě se kyslík sorbčně váže na katalyzátor, který se postupně nasytí. Regenerace katalyzátoru po nasycení kyslíkem se provádí obvykle přesně regulovanou, poměrně postupně proměnnou směsí vodíku a inertního plynu. Nevýhodou této metody je přetržitý provoz a velmi náročně ovládání regeneračního pochodu.So far, two main methods have been used to separate oxygen from inert gases. In the first, a proportional amount of hydrogen is added to the purified inert gas, which binds oxygen to a suitable catalyst and is removed from the mixture, for example, by a molecular sieve, in the form of the resulting water. The disadvantage of this method is the difficulty in determining and maintaining the exact proportional amount of hydrogen, which must be controlled according to the instantaneous, usually fluctuating, amount of oxygen. As a result, either excess hydrogen is fed, which then remains in the gas to be cleaned, or a smaller amount of hydrogen is added and the oxygen remains in the gas. In the second method, oxygen is sorbically bound to the catalyst, which is gradually saturated. The regeneration of the catalyst after oxygen saturation is usually carried out by a precisely controlled, relatively successively variable mixture of hydrogen and inert gas. The disadvantage of this method is the intermittent operation and very demanding control of the regeneration process.

Podstata způsobu odlučování kyslíku z inertních plynů podle vynálezu spočívá v tom, že kyslík je z čištěného plynu selektivně odstraňován průchodem iontů kyslíku jinak plynotěsnou stěnou pevného elektrolytu a kyslíkovou iontovou vodivostí, a to za zvýšené teploty 400 až 1300 °C, buň nucené účinkem stejnosměrného elektrického pole do redukční,The principle of the method of separating oxygen from inert gases according to the invention is that oxygen is selectively removed from the gas to be purified by passing oxygen ions through an otherwise gas-tight wall of solid electrolyte and oxygen ion conductivity at an elevated temperature of 400 to 1300 ° C. field to reduction,

198 718 oxidační nebo inertní atmosféry, nebo volnou difúzí do redukčního prostředí, ve kterém je parciální tlak kyslíku nejméně o 2 řády nižěí, než v čištěném plynu. U nuceného přestupu iontů kyslíku stěnou pevného elektrolytu nesmí napětí stejnosměrného elektrického pole překročit tak zvané rozkladné napětí elektrolytu, tj. přibližně 2 V.198 718 oxidizing or inert atmosphere, or by free diffusion into a reducing environment in which the partial pressure of oxygen is at least 2 orders of magnitude lower than in the purified gas. In the case of forced transfer of oxygen ions through the wall of a solid electrolyte, the voltage of the direct electric field must not exceed the so-called electrolyte decomposition voltage, ie approximately 2 V.

Podstata zařízení k provádění způsobu odlučování kyslíku z inertních plynů spočívá v tom, že je tvořeno větěím počtem trubic pevného elektrolytu opatřených elektrodami a plynotěsně upevněných do čel plynotěené nádoby, která je umístěna v peci. Keramické trubice jeou ze směsi kysličníku zirkoničitého a kysličníku vápenatého. Elektrody ze stři bra, niklu nebo platiny jsou naneseny na vnitřní i vnějěí povrch trubic a jsou odděleny izolační mezerou. V soustavě trubic jsou elektrody propojeny mezi sebou sériově nebo paralelně. Při průchodu iontů kyslíku stěnou pevného elektrolytu volnou difúzi jsou elektrody zkratovány.The principle of the apparatus for carrying out the method of separating oxygen from inert gases is that it consists of a plurality of solid electrolyte tubes provided with electrodes and gastightly fixed to the faces of a gas-filled vessel which is placed in the furnace. The ceramic tubes are made of a mixture of zirconia and calcium oxide. Silver, nickel or platinum electrodes are deposited on the inner and outer surface of the tubes and are separated by an insulating gap. In the tube system, the electrodes are connected in series or in parallel. When the oxygen ions pass through the solid electrolyte wall through free diffusion, the electrodes are short-circuited.

Výhody způsobu odlučování kyslíku z inertních plynů podle vynálezu jsou zejména ve velmi vysoké dosažitelné čistotě inertního plynu v tom, že kyslík je z čištěného inertního plynu odstraňován selektivně, v univerzálnosti zařízení k odlučování kyslíku z inertních plynů a v úspoře deviz za dovoz materiálu z kapitalistických států.The advantages of the method of separating oxygen from inert gases according to the invention are, in particular, the very high attainable purity of the inert gas in that oxygen is removed selectively from the purified inert gas, in the versatility of the oxygen separating device from inert gases and saving foreign exchange for importing material from capitalist states .

Vynález je v dalším podrobně popsán na příkladě provedení ve spojení a přiloženým výkresem.The invention will now be described in detail by way of example with reference to the accompanying drawing.

Na obr. 1, 2, je znázorněn řez néry.sem a půdorysem sestavy elektrokeramického odlučovače kyslíku. Do plynotěené uzavřené nádoby 1 jsou plynotěsně upevněny jednostranně uzavřené trubičky 2 z pevného elektrolytu s kyslíkovou iontovou vodivostí. Na vnitřní a vnějěí povrch trubic jsou naneseny elektrody 10. Ty jsou pro přestup iontů kyslíku volnou difúzí zkratovány nebo v případě využití stejnosměrného elektrického pole naneseny s izolační mezerou. Při paralelním zapojení elektrod 10 je na vnitřní elektrodu přiváděno stejnosměrné napětí vodičem 4, který je uložen v plynotěsně uzavřeném přívodu g. Čištěný plyn prochází vstupní trubicí 6 do vnitřního prostoru plynotěené nádoby 1 a je přepážkou 2 nucen obtékat vnějěí povrch trubic pevného elektrolytu v co nejdelěím zdržném čase a je odváděn do výstupní trubice J. Kyslík, který ve formě iontů prochází stěnou do vnitřního prostoru trubic pevného elektrolytu je odsud odstraňován například spalováním v redukční atmosféře nebo je odváděn oxidační nebo inertní atmosférou trubicí 2· Potřebné atmosféra je do vnitřního prostoru trubic 2 z pevného elektrolytu přiváděná trubicí 8. Elektrokeramický odlučovač kyslíku lze recipročně využit k obohacování plynů kyslíkem nebo k přímé výrobě superčistého kyslíku ze směsi plynů nebo ze vzduchu.1, 2 is a sectional view of a non-sectional and plan view of an electroceramic oxygen scrubber assembly. One-sealed tubes of solid electrolyte with oxygen ion conductivity are sealed in a gas-tight sealed container 1. Electrodes 10 are applied to the inner and outer surfaces of the tubes. These are short-circuited for the transfer of oxygen ions by free diffusion or, if a DC electric field is used, applied with an insulating gap. When the electrodes 10 are connected in parallel, a direct voltage is applied to the inner electrode by a conductor 4, which is housed in a gas-tightly sealed lead g. The oxygen, which in the form of ions passes through the wall into the inner space of the solid electrolyte tubes, is removed from here, for example, by combustion in a reducing atmosphere, or is discharged through an oxidizing or inert atmosphere through the tube 2. The electroceramic oxygen scavenger can be used reciprocally to enrich the gases with oxygen or directly produce super-pure oxygen from the gas mixture or from the air.

Způsobem odlučováni plynů podle vynálezu lze z čištěných plynů odloučit kyslík na hodnoty parciálních tlaků cca 10 MPa·By the method of gas separation according to the invention, oxygen can be separated from the cleaned gases to values of partial pressures of about 10 MPa ·

Claims

A method of separating oxygen from inert gases which achieves a very low residual amount of oxygen in the gas to be purified, characterized in that oxygen is selectively removed from the gas to be purified by passing oxygen ions through an otherwise gas-tight wall of solid electrolyte with oxygen ion conductivity. 1300 ° C due to a direct electric field with a voltage lower than the electrolyte decomposition voltage, ie approx.

2 V into a reducing, oxidizing or inert medium or by free diffusion under different oxygen partial pressures into a reducing environment in which the partial pressure of oxygen is at least 2 orders of magnitude lower than in the purified inert gas.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it comprises a plurality of solid electrolyte tubes (2) of a mixture of zirconia and calcium oxide provided with electrodes (10) of silver, platinum or nickel separated by an insulating gap and in the assembly The tubes sealed tightly in the heated vessel are connected in series or in parallel.