一种制备氮气的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种制备氮气的装置及方法。本发明专利技术制备氮气的装置包括：透氧膜，催化剂，反应器外壳，以及空气供气装置和燃料气供气装置。装置操作和制备氮气过程中，由空气供气装置向反应器透氧膜的一侧输入空气，由燃料气供气装置向透氧膜的另一侧输入燃料。高温条件下，空气中的氧通过透氧膜渗透到另一侧，与氮气分离，得到高浓度的氮气；与此同时，渗透到透氧膜另一侧的氧与燃料气发生化学反应，得到部分氧化的燃料气体。本发明专利技术制备氮气，优势在于：(1)过程充分利用化学能，而非电能或机械能；(2)本发明专利技术制备氮气，实现了制备高浓度氮气和燃料处理(制备合成气或获得部分氧化的燃料等)的一体化，实际应用前景广泛。

Device and method for preparing nitrogen gas

The present invention provides a device and method for preparing nitrogen gas. The device for preparing nitrogen comprises an oxygen permeable membrane, a catalyst, a reactor shell, an air supply device and a fuel gas supply device. In the process of operation and preparation of nitrogen, air is input from the air supply device to the side of the oxygen permeable membrane of the reactor, and the fuel gas supply device enters the fuel on the other side of the oxygen permeable membrane. Under the condition of high temperature, the oxygen in the air through the oxygen permeable membrane permeability to the other side, and get high concentration nitrogen nitrogen separation; at the same time, oxygen and fuel gas permeability to the other side of the oxygen permeable membrane chemical reactions occur, fuel gas partial oxidation. The preparation of nitrogen, advantage is: (1) the process of making full use of chemical energy, and non electric energy or mechanical energy; (2) the preparation of nitrogen, the preparation of high concentration nitrogen and fuel treatment (synthesis gas or partial oxidation of fuel) integration, application prospect widely.

【技术实现步骤摘要】
一种制备氮气的装置及方法
本专利技术提供一种制备氮气的装置及方法。属于空气分离制氮
，特别涉及一种制备高浓度氮气和燃料部分氧化处理的技术和方法。技术背景氮气作为一种资源丰富的惰性气体，应用十分广阔。目前工业制备氮气最广泛采用的是低温空气分离技术，其一次性设备投入大，制氮耗能高，而且受规模限制(绍融，周智勇著，《现代空分设备技术与操作原理》.杭州出版社，2005)。此外还有变压吸附制氮技术，该技术对吸附剂的要求极为苛刻，吸附剂性能往往严重影响制成气的氮气纯度，制氮成本高(吴卫，石绍军.变压吸附制氮技术及其设备选型[J].化工技术与开发，2010，39(12)：56-61)。报道还有多孔膜分离法，采用该技术制氮不但要消耗大量电力，而且要经过多次分离提纯，制氮成本高(庄营，宫吉超，苏堪祥等.膜分离制氮装置原理及其应用[J].中国化工贸易，2015，7(33)：377)。
技术实现思路
为克服现有制氮技术的不足，本专利技术提供一种制备氮气的装置及方法。其特征是利用氧离子-电子混合导电陶瓷透氧膜和利用化学能，实现制氮。制氮过程中，透氧膜的一侧通入空气，另一侧通入燃料气，在化学势梯度的驱动下，空气中的氧渗透通过透氧膜，从而得到高浓度的氮气。与此同时，渗透到透氧膜另一侧的氧，在催化剂的作用下，与燃料发生氧化反应，得到部分氧化的燃料气体。由此，本专利技术的第一个方面提供一种制备氮气的装置，所述装置包括：1)反应器，所述反应器包括透氧膜1，催化剂2和反应器外壳3，所述透氧膜1密封于所述反应器中，将反应器分隔为透氧膜的空气侧和透氧膜的燃料气侧；2)空气供气装置4；3)燃料气供气装置5；4)用于收集空气侧产物的产物收集装置6；5)用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7；其中，所述空气供气装置4和用于收集空气侧产物的产物收集装置6分别与所述透氧膜的空气侧流体连通，所述燃料气供气装置5和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7分别与透氧膜的燃料气侧流体连通，并且所述催化剂2位于所述透氧膜的燃料气侧。在优选的实施方案中，所述透氧膜1的材料选用混合离子电子传导材料，优选是同时传导氧离子和电子的混合离子电子透过膜，还优选是传导氧离子但不传导电子的材料和传导电子但不传导氧离子的材料构成的双相复合膜，更优选Zr0.84Y0.16O2-δ-La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ(YSZ-LSCrF)双相非对称陶瓷透氧膜。在优选的实施方案中，所述透氧膜1的厚度为0.1-5mm。在优选的实施方案中，所述催化剂2负载于透氧膜表面或与透氧膜分开放置。在优选的实施方案中，所述催化剂2的主要功能是催化碳氢燃料气的氧化或部分氧化。因此，只要可以用于催化氧化的催化剂均可以用于本专利技术的装置和方法。在优选的实施方案中，所述催化剂2选自由以下各项组成的组：镍基催化剂、钌基催化剂、铑基催化剂、铂基催化剂或其任意组合。在优选的实施方案中，所述反应器外壳3选用耐高温材料制成，如陶瓷或高温不锈钢。在优选的实施方案中，所述空气供气装置4包括：至少一个空气贮存装置，至少一个空气预热装置，连通空气贮存装置和反应器的气体输运管道，控制空气流速和压力的装置。在优选的实施方案中，所述燃料气供气装置5包括：至少一个燃料贮存装置，至少一个燃料气预热装置，连通燃料贮存装置和反应器的气体输运管道，控制燃料气流速和压力的装置。在优选的实施方案中，所述用于收集空气侧产物的产物收集装置6和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7分别包括至少一个气体贮存装置。本专利技术的另一方面提供一种制备氮气的方法，所述方法使用上述装置，包括如下步骤：1)通过空气供气装置4向透氧膜的空气侧通入空气，通过燃料气供气装置5向透氧膜的燃料气侧通入燃料气；2)在用于收集空气侧产物的产物收集装置6和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7中分别收集产物和副产品。在优选的实施方案中，所述燃料气选自碳氢燃料，如甲烷、汽化的乙醇、丙烷、汽化的汽油、汽化柴油，或选自还原性气体如氢气、一氧化碳。因此，在优选的实施方案中，如使用乙醇、汽油、柴油等液态燃料等作为原料，需安置一个用于气化液体燃料的汽化器。反应器运行状态下，空气侧的氧气通过透氧膜到达相对侧与燃料气进行反应，未能通过透氧膜的即为高浓度的氮气，为本过程的目标产物。上述过程中，燃料气侧的燃料气与氧气结合，可以发生部分氧化反应，生成高浓度的合成气；也可以发生燃烧反应，产生二氧化碳和水蒸气，同时产生大量的热量。在优选的实施方案中，所述反应器的工作温度为500-1000℃。在优选的实施方案中，所述反应在大气压下进行。本方法可以在大气压下进行操作，且过程中不需要消耗电力。在制备高浓度氮气的同时，另一侧也可以副产高浓度的合成气或者大量的热量，大大提高了本方法的紧凑性和经济性。此外，本方法的设备较为简单，操作工艺也相对简便，对于现阶段制氮工艺的进步具有重要意义。由此，本专利技术的优势包括：(1)采用本专利可以一步制备高纯度的氮气，且操作简单；(2)本专利的制氮技术可实现装置的自热维持，不需要消耗额外的电力，不受电力供应条件限制；(3)采用本专利可实现同时制备高温氮气和燃料处理，为燃料处理提供了一种新的技术途径和工业方法。附图说明图1是本专利技术中基于透氧膜的制氮装置的示意图所述装置包括：透氧膜1催化剂2反应器外壳3由透氧膜1、催化剂2和反应器外壳3构成的反应器空气供气装置4，燃料气供气装置5用于收集空气侧产物的产物收集装置6，用于收集燃料气侧产物的产物收集装置7专利技术详述在本专利技术所述的装置和方法中，所述催化剂为碳氢燃料氧化或部分氧化的催化剂，置于透氧膜的燃料气侧，优选与燃料气供气装置5同侧。在本专利技术的一个实施方案中，透氧膜中的透氧膜材料选用同时传导氧离子和电子的混合离子电子透过膜。由于在本专利技术的方法中，透氧膜的一侧接触氧化性的空气，另一侧接触还原性的燃料气，工作环境较为苛刻。为了保证透氧膜的化学稳定性，优选传导氧离子但不传导电子的材料和传导电子但不传导氧离子的材料构成的双相复合材料。在本专利技术的一个实施方案中，对于高稳定性的致密透氧膜，可以通过降低其厚度提升其氧渗透速率。当致密膜的厚度变小时，为了保证力学强度，需要将其负载在多孔支撑体上，因此透氧膜的结构优选非对称双层结构。在优选的实施方案中，所述透氧膜材料为Zr0.84Y0.16O2-δ-La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ(YSZ-LSCrF)双相非对称陶瓷透氧膜。在本专利技术的一个实施方案中，所述透氧膜的形状可以根据工艺需要，选择平板状、管状、盒状等不同形态。在本专利技术的一个实施方案中，透氧膜可以选用不同的方式密封于反应器中，封接剂可选择金环、银环、玻璃环、陶瓷环等不同种类。考虑到实际情况下的成本问题，本专利技术优选陶瓷环或玻璃环进行封接。在本专利技术的一个实施方案中，所述的碳氢燃料氧化或部分氧化的催化剂可以是镍基催化剂、钌基催化剂、铑基催化剂、铂基催化剂。考虑到成本和活性问题，优选镍基催化剂。为了解决镍基催化剂在高温下和碳氢燃料气接触容易积碳的问题，本专利技术进一步优选负载型的镍基催化剂，更优选α-Al2O3负载的Ni催化剂。在本专利技术的一个实施方案中，所述的燃料气可以选自甲烷、乙烷、丙烷、汽化的乙醇、汽化的甲醇、汽化的汽油、汽化的柴油等，优选甲烷、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氮气的装置，所述装置包括：1)反应器，所述反应器包括透氧膜(1)，催化剂(2)和反应器外壳(3)，所述透氧膜(1)密封于所述反应器中，将反应器分隔为透氧膜的空气侧和透氧膜的燃料气侧；2)空气供气装置(4)；3)燃料气供气装置(5)；4)用于收集空气侧产物的产物收集装置(6)；5)用于收集燃料气侧产物的产物收集装置(7)；其中，所述空气供气装置(4)和用于收集空气侧产物的产物收集装置(6)分别与所述透氧膜的空气侧流体连通，所述燃料气供气装置(5)和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置(7)分别与透氧膜的燃料气侧流体连通，并且所述透氧膜(1)选择性透过氧气，所述催化剂(2)位于所述透氧膜的燃料气侧。

【技术特征摘要】
1.一种制备氮气的装置，所述装置包括：1)反应器，所述反应器包括透氧膜(1)，催化剂(2)和反应器外壳(3)，所述透氧膜(1)密封于所述反应器中，将反应器分隔为透氧膜的空气侧和透氧膜的燃料气侧；2)空气供气装置(4)；3)燃料气供气装置(5)；4)用于收集空气侧产物的产物收集装置(6)；5)用于收集燃料气侧产物的产物收集装置(7)；其中，所述空气供气装置(4)和用于收集空气侧产物的产物收集装置(6)分别与所述透氧膜的空气侧流体连通，所述燃料气供气装置(5)和用于收集燃料气侧产物的产物收集装置(7)分别与透氧膜的燃料气侧流体连通，并且所述透氧膜(1)选择性透过氧气，所述催化剂(2)位于所述透氧膜的燃料气侧。2.根据权利要求1所述的装置，所述透氧膜(1)是同时传导氧离子和电子的混合离子电子透过膜，优选是传导氧离子但不传导电子的材料和传导电子但不传导氧离子的材料构成的双相复合膜，更优选Zr0.84Y0.16O2-δ-La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ(YSZ-LSCrF)双相非对称陶瓷透氧膜，所述透氧膜(1)的厚度优选为0.1-5mm。3.根据权利要求1所述的装置，所述催化剂(2)负载于透氧膜表面或与透氧膜分开放置，所述催化剂(2)优选选自由以下各项组成的组：镍基催化剂、钌基催化剂、铑基催化剂、铂基催化剂或其任意组合，更优选为负载型的镍基催化剂，最优选为α-Al2O3负载的Ni催...

【专利技术属性】
技术研发人员：何振宇，袁荣华，高建峰，占忠亮，陈初升，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34