JPH0340904A - 純粋な酸素を得る方法および装置 - Google Patents

純粋な酸素を得る方法および装置

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JPH0340904A
JPH0340904A JP2170412A JP17041290A JPH0340904A JP H0340904 A JPH0340904 A JP H0340904A JP 2170412 A JP2170412 A JP 2170412A JP 17041290 A JP17041290 A JP 17041290A JP H0340904 A JPH0340904 A JP H0340904A
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Matthias Krauss
クラウス・マシアス
Matthias Kuntz
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素を含有するガス混合物から純粋な酸素を
得る方法および装置に関するものである。
酸素は、多くの技術部門において、特に酸化反応および
燃焼プロセスにおいて大量に必要とされている６常用の
大規模な方法は、いわゆるリンデ法における空気の分別
凝縮に基づくものである。化学的方法および電気化学的
方法も、また知られている。
既知の電気化学的酸素ポンプは、酸素イオンを伝導する
ことができそして両１則に多孔性電極を有するように配
列された隔膜からなる、電位差を適用した場合に、酸素
が陰極において酸素イオンに還元され、この酸素イオン
が隔膜を通って陽極に移行しそしてそこで酸素に再酸化
される。この方式においては、酸素−含有ガスで掃過さ
れた陰極区画室から陽極区画室に純粋な酸素をポンプ輸
送することができる。
電極分極および他のエネルギーの損失のために、このよ
うな電解槽の効率は、約６０％であるにすぎない、電流
の発生および輸送を考慮した場合、約２０％という全効
率が得られるにすぎない。
したがって、本発明の目的は、一方においては、大規模
なプラントにおいてのみ実行できるリンデ法の手段の投
入を必要とせず、そして他方においては実際に所望の大
きさの簡単なプラントで良好な効率をもって進行させる
ことのできる純粋な酸素を得る方法を見出さんとするも
のである。
本発明者らは、電子および酸素イオンの両者を伝導する
ことのできる隔膜を使用することによってこの目的が達
成し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、酸素を含有するガス混合物から純
粋な酸素を得る装置に関するものであって、その装置は
酸素を含有するガス混合物のための入口および出口を有
する第一のガス区画室と、純粋な酸素のための出口を有
する第二のガス区画室と、この２つのカス区画室を分離
しそして酸素イオンおよび電子の両者を伝導することの
できる隔膜と上記の２つのガス区画室の間に酸素分圧差
を生ぜしめる手段とから本質的になる。
また、本発明は、酸素−含有ガス混合物を、ガスを透過
せず、かつ、電子および酸素イオンを伝導する隔膜によ
って第二のガス区画室から分離された第一のガス区画室
に導入し、この第一のガス区画室に過剰圧力を生ぜしめ
ることにより、そして（または）、第二のガス区画室に
減圧を生ぜしめることにより第一のガス区画室と第二の
ガス区画室との間の正の圧力差を生じせしめ、そして純
粋な酸素を第二のガス区画室から取出すことを特徴とす
る酸素を含有するガス混合物から純粋な酸素を得る方法
に関するものである。
最後に、本発明は、また、純粋な酸素を得る方法におけ
る電子と酸素イオンとを伝導することのできる隔膜の使
用に関するものである。
本発明が基づいている原理は、ガスを透過せず、かつ、
電子および酸素イオンの両者を伝導し、そして、その結
果として大きな化学的電位差を生ずる隔膜によって分離
された２つのガス区画室に異なる酸素分圧を生ぜしめる
ということからなる。この化学的電位差は、酸素が、高
い分圧を有するガス区画室から低い分圧を有するガス区
画室に輸送される場合にのみ等しくなることができる。
隔膜はガスに対しては不透過であるので、これは酸素イ
オンの輸送によってのみ起こる。
これが起こるなめには、酸素に富んだ側の酸素が、隔膜
から電子を吸収しそしてイオン性形態に変換されそして
それに相当して酸素に不足している測において電子の放
出により中性形態に変換されなければならない。すなわ
ち、隔膜の酸素に富んだ開から酸素に不足している測へ
の酸素イオンの移行および反対方向への電子の移行は、
ハイブリッドコンダクタ−で行われる。
この酸素ポンプの唯一の起動力は、隔膜の両開の間にお
ける酸素分圧差である。それ故に、最適の操作の見地か
ら、この圧力差が可能な限り大きいことを確保するよう
に注意が払われる。
これは、酸素を含有するカス混合物を圧縮することによ
りおよび（または）純粋な酸素を含有するガス区画室に
おける圧力を減することにより行うことができる０例え
ば、５＼１５バールの圧力は、簡単な圧搾機によって生
ぜしめることができる。これは、空気を酸素−含有ガス
混合物として使用する場合、約１〜３バールの酸素分圧
に相当する。十分な電位差は、生成Ｔｈｆｆ１ｌＪの圧
力を約５〜２０ｍバールに減することにより生ぜしめる
ことができる。
本発明による隔膜に適した物質は、特に、必要なハイブ
リッドコンダクタ−性を有するセラミック物質である。
この型の物質は、既知でありそして、特に、例えば、Ｂ
ａＦｅｏ、、ＣＯｏ、５　ＶＯ３、黄色酸化釦、Ｔｈｅ
、または５ｒｅ２０ｓ−ドープ処理Ｔｈｅ□、Ｈ２Ｏ２
−ドープ処理Ｂ！２０ｉまたはＥｒ２０ｉドープ処理３
ｉ２０　、　、Ｇｄ２Ｚｒ２０ｙ、ＣａＴｉ＋−ｘ　１
４Ｘｏ３−ｔ／。
（Ｈ＝Ｆｅ、Ｇｏ、Ｎｉ）　＋　５ｒＣｅ０３およびＹ
Ｂａ２Ｃｕ３０７−Ｘのような混合酸化物セラミック物
質である。
殻に、これらの物質は、酸化物構成成分を混合しそして
次に焼結することによってまたは反応的な焼結法によっ
て、製造される。適当である場合は、先に還元を行った
後に、引き続き焼結の後に、共−沈澱により製造するこ
とができそして特に高い伝導性値を有する組成（ＶＯ）
２Ｐ　２Ｏ７の物質も、また、特に適した物質である。
一般に、酸素イオンに対するこれらの隔膜の伝導性は、
温度に依存しそして最適の値は、しばしば、４００〜１
１００℃の範囲内のかなり高い温度で得られるにすぎな
い、可能な限り急速な酸素押出量を得るために、この方
法は、高温度で行うばかりでなく、ガスに対して不透過
性でありそしてＲ１１１的に安定な可能な限りうすい隔
膜を使用して行わなければならない。
一般に、この型のセラミック物質は、これらの物質がき
わたって理論的密度の９０％以上の高密度を有しそして
亀裂も連続した多孔性も有していない場合に、ガスに対
して不透過性である。
この場合において、ガスに対する不透過性は、約１０〜
１００　＋ｖのような低い厚さにおいて存在する。
また、機械的に十分に安定であるこの厚さの隔膜を得る
ために、このセラミック物質は、好ましくは、多孔性の
支持体に適用される。しかしながら、もし隔膜か十分に
安定である場合は、支持体の助けなしに方法を行うこと
もできる。
本発明による装置の操作の１態様例を、第１図に図解的
に示す、第１図において、（１）は、酸素−含有ガス混
合物例えば空気を含有する第一のガス区画室を示し、こ
のガス区画室は、ガス入口（２）およびガス出口（３）
を有している。
ガス区画室（１）は、隔膜（４）によって、酸素出口（
６）を有するガス区画室（５）と分けられている。
実際には、酸素を得る装置は、好ましくは、利用できる
隔膜表面が可能な限り大であるようにして構成されてい
る。この目的に対して、この装置は、例えば管状熟女換
器またはプレート状熱交換器のように構成することがで
きる。この型の好ましい実施態様の１例を、第２図に示
す、酸素−含有ガス、例えば空気は、コンプレッサー（
１１）およびガスを加熱するための熱交換器（１２）を
経て、ケーシング（１４）により形成されている第一の
ガス区画室（１３）中に射出され、該ケーシング中の隔
膜管（１５）の周囲を流れそしてスロットル（１６）、
流量測定セル（１７）およびガス混合物を冷却するため
の熱交換器（１８）を経て開口部に再送される。第二の
ガス区画室（１９）は、一方においては隔膜管（１５）
によりそして他方においてはケーシング（１４）および
隔膜管に気密方式で溶接されたチューブプレート（２０
）により、第一のガス区画室（１３）から分離されてい
る。第２のチューブプレート（２１）は、単に隔膜管（
１５）を安定化するのに役立つ、そしてそれを隔膜管に
気密方式で結合させることは必要でない。熟膨脹を妨げ
ないためには、第２のチューブプレート（２１）にゆる
く取付ける場合が有利でさえある。ガス区画室（１９）
に送られた酸素は、熱交換器（２２）および真空ポンプ
（２３）を経て使用者に供給される。
既に説明したように、自己−支持形態の隔膜を製造する
ことができる。これは、一般に、焼結し、そして粉砕し
たセラミック粉末から出発し、それから、それをそれ自
体既知の方法で適当な形状に圧縮しそしてさらに１回焼
結することによって行われる。
すなわち、例えばセラミックフィルムまたはセラミック
成形品を製造することを可能にする連続キャスティング
法および射出成形法が知られている。連続キャスティン
グ法においては、セラミック粉末、溶剤、結合剤および
可塑剤を用いて非−水性スラリーを混合しそして循環バ
ンド上にキャストし、目盛のあるカッターにより一様な
厚さにする。溶剤の蒸発によりフィルムを形成し、約２
５〜１０００μｎの厚さを有するフィルムをさらに常用
の方法で加工する。
射出成形法においては、セラミック粉末を熱可塑性粉末
と混合し、上昇した温度で粘稠な液状状態となし、そし
て、高圧下で所望の型に射出する。
しかしながら、大ていの場合においては、隔膜は、うす
いフィルムの形態で、多孔性の支持体上に適用される０
例えばプラズマスプレーコーティングのようなこれを行
う方法も、また知られている。
この方法においては、適当である場合は、マイクロ波を
用いてセラミック物質をプラズマフィールドにおいて気
化しそしていずれかの所望の基体上に沈積させることが
できる。この場合におけるセラミック層の安定性は、主
として使用される基体に依存する。
しかしながら、原則的には、セラミック被膜は、セラミ
ックスラリ−をキャスティングに付しそして次にそれを
乾燥および焼付けることによっても得ることができる。
Ｍ後に、このセラミック層は、また、ゾール−ゲル法に
より適用することができる。この方法においては上記の
多孔性基体を適当な有機金属溶液で含浸させる。ゲル−
形成は加熱により行われそして酸化物セラミックフィル
ムの形成は、有機成分が分解された後に行う。
支持された隔膜においては、いずれも、支持体物質が可
能な限り一様な分布を有しそして約１μ川より大きくな
い孔サイズを有する連続多孔性を有するように注意を払
わなければならない、３ｉ！！当な支持体物質の例は、
焼結した金属、Ｍ２Ｏ，またはｌ「０２からなる多孔性
セラミック、高温度に抵抗性のシリカブリック（Ｃｈａ
ｎｏｔｔｅ）および多孔性のガラスである。第２図によ
る装置の例の詳細は、この型の支持された隔膜の例とし
て第３図に示す通りである。この第３図においては、第
２図に示した隔膜管（１５）は、例えば焼結した金属ま
たは多孔性のＡｊ！　２０３支持管からなる多孔性の内
部管（３１）およびスプレーオンした隔膜（３２）から
なる、チューブプレート（２０）は、溶接継目（３３）
の方式により気密方式（Ｇａｓ−ｔｉｇｈｔ　１ａｎｎ
ｅｒ）で内部管（３１）に結合されておりそしてこれに
対してチューブプレート（２１）はゆるい方式において
隔膜管を支持しているにすぎない。
本発明による装置は、何れの所望の大きさにも構成する
ことができそしてそれ故に使用者の特定の要求に適合す
るように調節することができる。かくして、純粋な酸素
を得る価値のある新規なプロセスが提供される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による装置の操作の方式を図解的に示
したものであり、第２図は、本発明の方法を図式的に示
しそして第３図は第２図による装置の例の詳細をこの型
の支持された隔膜の例として示したものである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）酸素を含有するガスの混合物から純粋な酸素を得
    る装置であって、酸素含有ガス混合物のための入口およ
    び出口を有する第一のガス区画室と、純粋な酸素のため
    の出口を有する第二のガス区画室と、これら２つのガス
    区画室を分離しそして酸素イオンおよび電子の両者を伝
    導することのできる隔膜と上記の２つのガス区画室の間
    に酸素分圧差を生ぜしめる手段とから本質的になる装置
    。
  2. （２）上記の隔膜としてＹＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７＿−
    ＿Ｘ、ＳｒＣｅＯ＿３または（ＶＯ）＿２Ｐ＿２Ｏ＿７
    に基づくセラミック物質を存在させることを特徴とする
    請求項１記載の装置。
  3. （３）上記の装置がプレート熱交換器またはチューブ熱
    交換器の形態で構成されていることを特徴とする請求項
    １記載の装置。
  4. （４）酸素を含有するガス混合物から純粋な酸素を得る
    方法であって、酸素含有ガス混合物をガスを透過せず、
    かつ、電子および酸素イオンを伝導する隔膜によって第
    二のガス区画室から分離されている第一のガス区画室に
    導入し、第一のガス区画室に過剰圧力を生ぜしめること
    によりそして（または）第二のガス区画室に減圧を生ぜ
    しめることにより、第一ガス区画室と第二ガス区画室と
    の間の正の酸素分圧差を生じせしめ、そして純粋な酸素
    を第二のガス区画室から取出すことを特徴とする方法。
  5. （５）前記の第一のガス区画室における酸素分圧が、第
    二のガス区画室における圧力の少なくとも約２〜３倍で
    あることを特徴とする請求項４記載の方法。
  6. （６）電子および酸素イオンを伝導することができる隔
    膜を使用することを特徴とする純粋な酸素を得る方法。
JP2170412A 1989-06-29 1990-06-29 純粋な酸素を得る方法および装置 Pending JPH0340904A (ja)

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DE3921390.0 1989-06-29

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