具有多層密封的離子傳輸膜組件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了離子傳輸膜組件，其包括壓力容器、多個具有陶瓷導(dǎo)管的平面的離子傳輸膜模塊、一個或多個具有金屬導(dǎo)管的氣體歧管和將所述陶瓷導(dǎo)管連接到所述金屬導(dǎo)管的多層密封。所述多層密封包括兩個或更多個柔性墊片層和一個或多個剪切墊片層。
【專利說明】具有多層密封的離子傳輸膜組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及離子傳輸膜組件。更具體地，本發(fā)明涉及具有多層密封的離子傳輸膜組件。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
[0003]本發(fā)明至少部分地利用根據(jù)DOE合作協(xié)議編號DE-FC26-98FT40343來自美國能源部的資金進(jìn)行。美國政府對本發(fā)明享有一定權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0004]離子傳輸膜裝置需要金屬導(dǎo)管到陶瓷導(dǎo)管的過渡。通常，陶瓷離子傳輸膜裝置需要被聯(lián)結(jié)到金屬管道系統(tǒng)以向下一過程操作傳送滲透側(cè)產(chǎn)物。對此管道系統(tǒng)使用與膜中所用相同的陶瓷材料是既不經(jīng)濟(jì)實用又不機(jī)械實用的。無論工作溫度、壓力和氣體組成中的重大變化，從金屬到陶瓷的過渡必須保持充分無泄漏。因此，需要金屬導(dǎo)管和陶瓷導(dǎo)管之間的密封，所述密封將適應(yīng)熱膨脹系數(shù)和化學(xué)膨脹系數(shù)方面大的差異，并還在超過800°C的溫度和最高約2.5MPa (絕壓)(350psig)的壓力下在長時間的運(yùn)行中提供穩(wěn)健的性能，壓差將對所述密封提供壓縮力。所述密封必須既能夠在高壓下又能夠在低壓下提供密封。與金屬件和陶瓷件接觸的密封部件與這些件化學(xué)相容也是必需的。
[0005]在特別適合于離子傳輸膜裝置的同時，本文所述的陶瓷件和金屬件之間的多層密封還可應(yīng)用于在類似的溫度和壓力下運(yùn)行并需要充分無泄漏密封的其它技術(shù)。
[0006]工業(yè)上需要陶瓷導(dǎo)管與金屬導(dǎo)管之間充分防漏并耐久的密封。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及離子傳輸膜組件，其包括將陶瓷導(dǎo)管連接到金屬導(dǎo)管的多層密封。
[0008]所述密封有如下面概述的若干方面。下文中，將概述離子傳輸膜組件的多個具體方面。括號中給出的附圖標(biāo)記和表達(dá)指的是下文參考附圖進(jìn)一步說明的示例性實施方式。然而，所述附圖標(biāo)記和表達(dá)僅是說明性的而不是將所述方面限于示例性實施方式的任何特定部件或特征。所述方面可以闡述為權(quán)利要求，在其中，括號中給出的附圖標(biāo)記和表達(dá)視情況被略去或被其它所替代。
[0009]方面1、離子傳輸膜組件(I)，所述組件(I)包括:
[0010](a)壓力容器(10)，其具有內(nèi)部(12)、外部(14)、入口 (16)、第一出口 (18)和第二出口⑶；
[0011](b)多個平面的離子傳輸膜模塊(21-25)，其操作性地設(shè)置在壓力容器(10)的內(nèi)部(12)中，每個平面的離子傳輸膜模塊(21-25)包含混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，每個膜模塊(21-25)終止于具有密封表面￠5)的陶瓷導(dǎo)管(31-35)中，其中壓力容器(10)的入口(16)和第一出口(18)與膜模塊(21-25)的外部區(qū)域流體流動連通；
[0012](c) 一個或多個氣體歧管(41-45)，其與膜模塊(21-25)的內(nèi)部區(qū)域以及與壓力容器(10)的外部(14)流體流動連通，
[0013]其中每個膜模塊(21-25)的陶瓷導(dǎo)管(31-35)連接到一個或多個氣體歧管(41-45)的金屬導(dǎo)管(51-55)，在陶瓷導(dǎo)管(31-35)和金屬導(dǎo)管(51-55)之間操作性地設(shè)置多層密封，每個金屬導(dǎo)管(51-55)具有密封表面(85)；
[0014]其中每個多層密封包括:
[0015]第一剪切墊片層(sheargasket layer) (71)；
[0016]第一柔性墊片層(compliant gasket layer) (61),其中第一柔性墊片層直接接觸陶瓷導(dǎo)管的密封表面(65);和
[0017]第二柔性墊片層(81)，其中第二柔性墊片層(81)直接接觸金屬導(dǎo)管(51)的密封表面(85)；
[0018]其中第一剪切墊片層(71)操作性地設(shè)置在第一柔性墊片層(61)和第二柔性墊片層(81)之間。
[0019]方面2、方面I的離子傳輸膜組件，其中所述多層密封還包括:
[0020]第二剪切墊片層(91);和
[0021]第三柔性墊片層(101)；
[0022]其中第三柔性墊片層(101)操作性地設(shè)置在第一剪切墊片層(71)和第二剪切墊片層(91)之間；和
[0023]其中第二剪切墊片層(91)操作性地設(shè)置在第三柔性墊片層(101)和第二柔性墊片層(81)之間。
[0024]方面3、方面I或方面2的離子傳輸膜組件，其中第一剪切墊片層(71)和/或第二剪切墊片(91)包含選自云母、蛭石、蒙脫土、石墨和六角氮化硼的礦物。
[0025]方面4、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一柔性墊片層(61)、第二柔性墊片層(81)和第三柔性墊片層(101)中的至少之一包含選自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃復(fù)合物、金屬陶瓷、金屬、金屬合金和金屬復(fù)合物的材料。
[0026]方面5、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一剪切墊片層和/或第二剪切墊片層包含至少95重量％的選自云母、蛭石、蒙脫土、石墨和六角氮化硼的礦物。
[0027]方面6、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一柔性墊片層和第二柔性墊片層為包含至少95重量％的金、銀、鈀或它們的合金的金屬。
[0028]方面7、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第三柔性墊片層(101)的材料為玻璃、玻璃-陶瓷或玻璃復(fù)合物。
[0029]方面8、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一剪切墊片層的厚度為
0.025mm至0.75mm或0.025mm至0.25mm,并且第二剪切塾片層的厚度為0.025mm至0.75mm或 0.025mm 至 0.25mm。
[0030]方面9、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中在加熱之前第一柔性墊片層的厚度為0.0025mm至1.25mm或0.025mm至1.25mm,并且在加熱之前第二柔性墊片層的厚度為 0.0025mm 至 1.25mm 或 0.025mm 至 1.25mm。
[0031]方面10、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中在加熱之前第三柔性墊片層的厚度為 0.025mm 至 2.5mm 或 0.025mm 至 1.25mm。
[0032]方面11、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第三柔性墊片層的厚度大于第一柔性墊片層的厚度并且大于第二柔性墊片層的厚度。
[0033]方面12、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一剪切墊片層和第二剪切墊片層中的至少之一具有潤滑的特性或者為包括片材或絮片(flakes)的片狀結(jié)構(gòu)，所述片材或絮片可在基本平行于所述片材或絮片的方向上相對于彼此位移。
[0034]方面13、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中每個膜模塊的陶瓷導(dǎo)管(31-35)由一種或多種單相多組分金屬氧化物和/或一種或多種多相復(fù)合材料構(gòu)造。
[0035]方面14、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中每個膜模塊的陶瓷導(dǎo)管具有圓形橫截面。
[0036]方面15、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中所述一個或多個氣體歧管的金屬導(dǎo)管中的每一個具有圓形橫截面。
[0037]方面16、前述方面中任一項的離子傳輸膜組件，其中第一柔性墊片層、第二柔性墊片層、第三柔性墊片層、第一剪切墊片層和第二剪切墊片層中的每一個具有圓形橫截面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1A為具有3層密封的離子傳輸膜組件的內(nèi)部的示意性側(cè)視圖。
[0039]圖1B為圖1A的橫截面視圖。
[0040]圖2A為具有5層密封的離子傳輸膜組件的內(nèi)部的示意性側(cè)視圖。
[0041]圖2B為圖2A的橫截面視圖。

【具體實施方式】
[0042]如本文所用，當(dāng)應(yīng)用于說明書和權(quán)利要求書中所述的本發(fā)明實施方式中的任何特征時，不以數(shù)量詞修飾是指一個或多個。不以數(shù)量詞修飾不是將含義限于單一特征，除非明確指出了這樣的限制。單數(shù)或復(fù)數(shù)名詞或名詞短語前面的冠詞“所述/該”表示一個特定的指定特征或多個特定的指定特征并可具有單數(shù)或復(fù)數(shù)涵義，具體取決于使用其時的上下文。形容詞“任何/任意”是指不受限制的任何量的一個、一些或全部。術(shù)語“和/或”置于第一實體和第二實體之間是指如下之一:(I)第一實體、(2)第二實體和(3)第一實體和第二實體。術(shù)語“和/或”置于3個或更多個實體的列舉中的最后兩個實體之間是指該列舉中的實體中的至少一個，包括該列表中的實體的任何特定組合。
[0043]如本文所用，“第一” “第二” “第三”等用來從多個步驟和/或部件和/或特征中進(jìn)行區(qū)分，而不是指示時間和/或空間中的相對位置。
[0044]在給出重量％值之處，這個值為相應(yīng)部件例如剪切墊片層或柔性墊片層的總重量的分?jǐn)?shù)。
[0045]下面的定義適用于本文給出的本發(fā)明實施方式的描述中使用的術(shù)語。
[0046]“離子傳輸膜組件”為用于氧回收或用于氧化反應(yīng)的多個離子傳輸膜模塊及相關(guān)硬件的陣列的通稱。離子傳輸膜組件可以為離子傳輸膜分離組件，其為用于從含氧氣體中分離和回收氧的離子傳輸膜系統(tǒng)。離子傳輸膜組件可以為離子傳輸膜反應(yīng)器系統(tǒng)，其為用于氧化反應(yīng)的離子傳輸膜系統(tǒng)。
[0047]“離子傳輸膜組件”，也稱為“離子傳輸膜系統(tǒng)”，包括多個膜模塊、容納所述一個或多個膜模塊的壓力容器以及為引入一個或多個進(jìn)料流和取走由所述一個或多個進(jìn)料流形成的兩個或更多個流出流所必需的任何附加的部件。所述附加的部件可以包括本領(lǐng)域已知的一個或多個流動抑制管、絕緣材料、歧管等。所述多個膜模塊可以并聯(lián)地和/或串聯(lián)地布置。
[0048]“離子傳輸膜模塊”，有時稱為“膜堆疊”，為多個膜單元的陣列。
[0049]“膜單元”，也稱為“膜結(jié)構(gòu)”，具有操作性地設(shè)置為使得氣體流過所述膜單元的表面的氣體流入?yún)^(qū)域和氣體流出區(qū)域。從膜模塊的流入?yún)^(qū)域流向流出區(qū)域的氣體的組成隨著其穿過模塊中膜結(jié)構(gòu)的表面而改變。每個膜單元具有由允許氧離子從中滲透通過的活性膜層或區(qū)域分開的含氧氣體進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)。每個膜單元還具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。
[0050]在膜模塊作為氧分離裝置進(jìn)行運(yùn)行的一個實施方式中，含氧氣體進(jìn)料側(cè)可以與膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域相鄰而滲透側(cè)可以與膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域相鄰。
[0051]在膜模塊作為氧化反應(yīng)裝置進(jìn)行運(yùn)行的另一個實施方式中，含氧氣體進(jìn)料側(cè)可以與膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域相鄰而滲透側(cè)可以與膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域相鄰。在此替代實施方式中，反應(yīng)物進(jìn)料氣體流動通過膜結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域并與所滲透的氧反應(yīng)。因此在此實施方式中，滲透側(cè)也是膜結(jié)構(gòu)的反應(yīng)物氣體側(cè)?？梢栽谀そY(jié)構(gòu)的反應(yīng)物氣體側(cè)上提供催化劑。
[0052]膜單元可具有平面的構(gòu)型，其中由兩個平行的平面構(gòu)件繞其周緣的至少一部分密封形成具有中心或內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜片(wafer)。氧離子滲透通過可置于平面構(gòu)件的任一或兩個表面上的活性膜材料。氣體可以流經(jīng)所述膜片的中心或內(nèi)部區(qū)域，并且膜片具有一個或多個氣體流動開口以允許氣體進(jìn)入和/或離開所述膜片的內(nèi)部區(qū)域。因此，氧離子可以從所述外部區(qū)域滲透到所述內(nèi)部區(qū)域中，或相反地可以從所述內(nèi)部區(qū)域滲透到所述外部區(qū)域。
[0053]膜單元可具有本領(lǐng)域已知的任何構(gòu)型。當(dāng)膜單元具有平面構(gòu)型時，通常稱其為“膜片”。
[0054]膜單元的部件包括離子傳輸膜，其為陶瓷膜材料的活性層，所述陶瓷膜材料包含能夠在升高的溫度下傳輸或滲透氧離子的混合金屬氧化物。離子傳輸膜還可傳輸電子以及氧離子，這種類型的離子傳輸膜通常被描述為混合導(dǎo)體膜。所述膜單元可還包括支承所述活性膜層的結(jié)構(gòu)部件以及引導(dǎo)氣體流進(jìn)和流出所述膜表面的結(jié)構(gòu)部件。結(jié)構(gòu)部件可以包括本領(lǐng)域已知的多孔支承層、開槽支承層和流動通道層?；钚阅油ǔ０旌辖饘傺趸锾沾刹牧喜⑦€可包含一種或多種單質(zhì)金屬從而形成復(fù)合膜。膜模塊的結(jié)構(gòu)部件可以由任何適宜的材料例如混合金屬氧化物陶瓷材料制成并還可包含一種或多種單質(zhì)金屬?；钚阅雍徒Y(jié)構(gòu)部件中的任何一種可以由相同的材料制成。
[0055]可串聯(lián)地布置單個模塊，這意味著沿單個軸設(shè)置若干模塊。通常，穿過第一模塊中的膜結(jié)構(gòu)的表面的氣體從該模塊的流出區(qū)域流出，其后，該氣體中的一些或全部進(jìn)入第二模塊的流入?yún)^(qū)域并在其后流過第二模塊中的膜結(jié)構(gòu)的表面。單個模塊的系列的軸可以與總體流動方向或者氣體通過串聯(lián)模塊的軸平行或幾乎平行。
[0056]模塊可以以兩個或更多個平行模塊的集群(bank)進(jìn)行布置，其中平行模塊的集群位于不與總體流動方向或者氣體通過模塊的軸平行并通常可以與其正交的軸上?？梢源?lián)地布置模塊的多個集群，這根據(jù)定義是指模塊的集群被設(shè)置為使得至少一部分已穿過第一模塊集群中的膜結(jié)構(gòu)的表面的氣體流過第二模塊集群中的膜結(jié)構(gòu)的表面。
[0057]可以串聯(lián)地布置任意數(shù)量的單個模塊或模塊集群。在一個實施方式中，在一系列單個模塊中或在一系列模塊集群中的模塊可位于一個或多個公共軸上，其中軸的數(shù)量等于一或等于每個集群中的模塊數(shù)。在下文描述的另一個實施方式中，在一系列模塊或模塊集群中的相繼的模塊或模塊集群可以以交替的方式偏置使得模塊分別位于至少兩個軸上或位于大于集群中模塊數(shù)的軸數(shù)上。這兩種實施方式均涵蓋在如本文所用的串聯(lián)模塊的定義中。
[0058]優(yōu)選地，與所述膜模塊的外部區(qū)域中的外表面接觸的氣體處在比所述膜模塊的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的氣體更高的壓力下。
[0059]流動抑制管定義為環(huán)繞多個串聯(lián)膜模塊的導(dǎo)管或閉合通道，所述導(dǎo)管或閉合通道引導(dǎo)氣體流過串聯(lián)模塊。
[0060]歧管為引導(dǎo)氣體進(jìn)入和/或離開膜模塊的內(nèi)部區(qū)域的管或?qū)Ч艿慕M件。可以通過在第二或外導(dǎo)管內(nèi)安裝第一或內(nèi)導(dǎo)管來組合兩個歧管，其中第一導(dǎo)管提供第一歧管而所述導(dǎo)管之間的環(huán)帶提供第二歧管。所述導(dǎo)管可以是同心或同軸的，其中這兩個術(shù)語具有相同的含義。作為替代方案，所述導(dǎo)管可以不是同心或同軸的而是可以具有單獨(dú)的平行或非平行的軸。提供組合歧管功能的這種內(nèi)導(dǎo)管和外導(dǎo)管構(gòu)型在本文中定義為嵌套歧管。
[0061]流體流動連通是指膜模塊和容器系統(tǒng)的部件相對于彼此定向為使得氣體可以容易地從一個部件流動到另一個部件。
[0062]膜片為具有中心或內(nèi)部區(qū)域及外部區(qū)域的膜結(jié)構(gòu)，其中所述膜片由兩個平行的平面構(gòu)件繞其周緣的至少一部分密封而形成。活性膜材料可以置于平面構(gòu)件的任一或兩個表面上。氣體可以流動通過膜片的中心或內(nèi)部區(qū)域，即內(nèi)部區(qū)域的所有部分流動連通，并且膜片具有一個或多個氣體流動開口以允許氣體進(jìn)入和/或離開膜片的內(nèi)部區(qū)域。膜片的內(nèi)部區(qū)域可以包括多孔和/或帶通道的材料，所述材料允許氣體流動通過內(nèi)部區(qū)域并機(jī)械支承平行的平面構(gòu)件?；钚阅げ牧蟼鬏敾驖B透氧離子但對于任何氣體的流動是不透過的。
[0063]示例性的離子傳輸膜層、膜單元、膜模塊和離子傳輸膜組件(系統(tǒng))描述在美國專利 5，681，373 和 7，179，323 中。
[0064]本發(fā)明涉及離子傳輸膜組件。所述離子傳輸膜組件將參照附圖進(jìn)行描述。
[0065]所述離子傳輸膜組件包含壓力容器10，所述壓力容器10具有內(nèi)部12、外部14、入口 16、第一出口 18和第二出口 8。
[0066]所述離子傳輸膜組件還包含多個設(shè)置在壓力容器10的內(nèi)部12中的平面的離子傳輸膜模塊21、22、23、24、25。每個平面的離子傳輸膜模塊21-25包含混合金屬氧化物陶瓷材料并且具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。每個膜模塊21-25分別終止于具有密封表面65的陶瓷導(dǎo)管31、32、33、34、35中。壓力容器10的入口 16和第一出口 18與膜模塊21-25的外部區(qū)域流體流動連通。
[0067]陶瓷導(dǎo)管31-35可以由已知用于離子傳輸膜裝置中的任何陶瓷構(gòu)造，例如，單相多組分金屬氧化物或多相復(fù)合材料。單相多組分金屬氧化物的實例包括混合的氧離子和電子傳導(dǎo)鈣鈦礦及摻雜的鎳酸鑭。多相復(fù)合材料的實例包括離子導(dǎo)體如熒石與電子導(dǎo)體如鈣鈦礦的兩相混合物?；旌系难蹼x子和電子傳導(dǎo)鈣鈦礦的實例包括呈LnxA’x，A”x，，ByB’y，B”y，，03_z的組成，其中Ln選自La和鑭系元素；A’選自堿土金屬元素，A”獨(dú)立地選自La、鑭系元素和堿土金屬元素；B、B’和B”獨(dú)立地選自第一行過渡金屬、Al、Ga和Mg ；0 ^ x ^ I ；0^x^ I ；O < x” < I ；0<y < I ;0 < y，< I ;0 < y” < I ;x+x，+x” = I ；0.9〈y+y，+y”〈I, I ;并且 z為使得化合物電中性的數(shù)。
[0068]所述離子傳輸膜組件還包含一個或多個氣體歧管41、42、43、44、45，其與膜模塊21-25的內(nèi)部區(qū)域以及與壓力容器10的外部14流體流動連通。
[0069]每個膜模塊21-25的陶瓷導(dǎo)管31-35連接到所述一個或多個氣體歧管41_45的相應(yīng)金屬導(dǎo)管51、52、53、54、55,并在陶瓷導(dǎo)管和金屬導(dǎo)管之間設(shè)置多層密封。每個金屬導(dǎo)管51-55具有密封表面85。
[0070]金屬導(dǎo)管51-55可由已知用于離子傳輸膜裝置中的任何金屬構(gòu)造。合適的金屬可以包括例如Incoloy? 800H> Incoloy? 800> Incoloy? 800HT、253MA、353MA、Haynes?
230、Haynes? 214、Haynes? HR-120,inconel? 600、Inconel? 601 和inconel? 602CA。
[0071]每個多層密封包含第一剪切墊片層71、第一柔性墊片層61和第二柔性墊片層81。每個多層密封的第一柔性墊片層61與相應(yīng)的陶瓷導(dǎo)管31-35的密封表面65直接接觸。每個多層密封的第二柔性墊片層81與相應(yīng)的金屬導(dǎo)管51-55的密封表面85直接接觸。每個多層密封的第一剪切墊片層71操作性地設(shè)置在第一柔性墊片層61和第二柔性墊片層81之間。
[0072]圖1A和圖1B示出了具有第一剪切墊片層71、第一柔性墊片層61和第二柔性墊片層81的3層密封。
[0073]每個多層密封可以還包含第二剪切墊片層91和第三柔性墊片層101。如果存在，第三柔性墊片層101操作性地設(shè)置在第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91之間。如果存在，第二剪切墊片層91操作性地設(shè)置在第三柔性墊片層101和第二柔性墊片層81之間。
[0074]圖2A和圖2B示出了具有第一剪切墊片層71、第一柔性墊片層61、第二柔性墊片層81、第二剪切墊片層91和第三柔性墊片層101的5層密封。
[0075]多層密封防止流體通過接合處從導(dǎo)管的外部流動到結(jié)合的導(dǎo)管的內(nèi)部或從導(dǎo)管的內(nèi)部流動到結(jié)合的導(dǎo)管的外部。陶瓷導(dǎo)管的密封表面和金屬導(dǎo)管的密封表面可以至少基本上彼此平行和/或分開等于經(jīng)壓縮的多層墊片的厚度的距離。
[0076]第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91 (如果存在)具有適應(yīng)平行于密封表面的平面(平行于金屬和陶瓷導(dǎo)管的密封表面)作用的剪切應(yīng)變的能力。因此，剪切墊片層的材料或必須在與陶瓷體或柔性層接觸放置時具有低的摩擦系數(shù)，或它們必須具有允許其在低應(yīng)力下發(fā)生剪切應(yīng)變的結(jié)構(gòu)。
[0077]第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91 (如果存在)為“剪切層”或“滑移層”，其具有潤滑的特性或者為其中片材可跨越(平行于)彼此位移的片狀結(jié)構(gòu)。這樣，剪切層適應(yīng)了金屬和陶瓷導(dǎo)管的熱和化學(xué)膨脹方面的差異。
[0078]如本文所用，術(shù)語“柔性”意指在離子傳輸膜裝置的運(yùn)行條件下材料在給定的壓縮力下具有一定程度的塑性變形使得其適形于相鄰表面而封鎖氣體通過接合處泄漏的通路的材料性質(zhì)。這樣的氣體泄漏通路可產(chǎn)生自例如相鄰的部件表面中的缺陷或者表面中的其它不規(guī)則性，包括金屬部件上的凹槽或者陶瓷部件上的凹槽或空隙。
[0079]柔性墊片層的主要功能是適應(yīng)金屬導(dǎo)管的密封表面和相鄰的剪切墊片層中的不規(guī)則性以及陶瓷導(dǎo)管的密封表面中偏離平整的較大尺度的偏差。
[0080]第一剪切墊片層和第二剪切墊片層(如果存在)可以包含選自云母、蛭石、蒙脫土、石墨和六角氮化硼的礦物。第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91 (如果存在)可以包含至少95重量％的選自云母、蛭石、蒙脫土、石墨和六角氮化硼的礦物。第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91 (如果存在)可以為云母紙、蛭石紙、滲入滑石的蛭石紙或氮化硼片材。第一剪切墊片層71和第二剪切墊片層91 (如果存在)可以為例如FlexitallicThermiculite?866ο
[0081]如果使用云母紙，則云母紙可以包含粘結(jié)劑或者云母紙可以是無粘結(jié)劑的。如果使用蛭石紙，則蛭石紙可以包含粘結(jié)劑或者蛭石紙可以是無粘結(jié)劑的。
[0082]術(shù)語“云母”涵蓋不同化學(xué)組成和物理性質(zhì)的具有層狀結(jié)構(gòu)的一組復(fù)雜鋁硅酸鹽礦物。更具體而言，云母為鋁的復(fù)雜含水硅酸鹽，含有鉀、鎂、鐵、鈉、氟和/或鋰及痕量的若干其它元素。其是穩(wěn)定的并對水、酸(除氫氟酸和濃硫酸外)、堿、常規(guī)溶劑、油的作用完全惰性，并且?guī)缀醪皇艽髿庾饔玫挠绊?。在化學(xué)計量上，常見的云母可以如下描述:
[0083]AB2_3 (Al, Si) Si3O10 (F，0H) 2
[0084]其中A = K、Ca、Na或Ba，以及有時的其它元素，并且其中B = Al、L1、Fe或Mg。雖然有各種各樣的云母，但以下六種形式構(gòu)成常見類型的大多數(shù):黑云母(K2 (Mg, Fe) 2 (OH) 2 (AlSi3) 1Q))、鉻云母(富鐵黑云母)、鋰云母(LiKAl2 (OH, F) 2 (Si2O5) 2)、白云母(KAl2(OH)2(AlSi3Oltl))、金云母(KMg3Al(OH)Si4Oltl))和鐵鋰云母(與鋰云母類似，但富鐵)。云母可以以紙的形式或以單晶形式商購獲得，其每一種形式均為本發(fā)明的各種實施方式所涵蓋。紙形式的云母通常由云母絮片和粘結(jié)劑例如有機(jī)粘結(jié)劑例如硅氧烷粘結(jié)劑或環(huán)氧樹脂構(gòu)成，并可形成為各種厚度，常常從約50微米直到數(shù)毫米。單晶形式的云母通過從天然云母礦床直接解理獲得，并通常不與聚合物或粘結(jié)劑混合。
[0085]第一剪切墊片層的第一表面可與第一剪切墊片層的第二表面至少基本上平行。第一剪切塾片層的厚度可以為0.025mm至0.75mm或0.025mm至0.25mm。
[0086]第一剪切墊片層，作為密封的一部分，防止流體流動通過接合處，即其“密封”。
[0087]如果存在第二剪切墊片層，則第二剪切墊片層的第一表面可與第二剪切墊片層的第二表面至少基本上平行。如果存在，第二剪切墊片層的厚度可以為0.025mm至0.75mm或為0.025mm至0.25mm。第二剪切墊片層，作為密封的一部分，防止流體流動通過接合處，即其“密封”。
[0088]第一柔性墊片層、第二柔性墊片層和第三柔性墊片層(如果存在)各自包含選自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃復(fù)合物、金屬陶瓷、金屬、金屬合金和金屬復(fù)合物的材料。第一柔性墊片層、第二柔性墊片層和第三柔性墊片層(如果存在)可以包含所述組中相同的材料或來自所述組的不同材料。
[0089]第一柔性墊片層、第二柔性墊片層和第三柔性墊片層(如果存在)可以為包含至少95重量％的金、銀、鈀或它們的合金的金屬。
[0090]第一柔性墊片層、第二柔性墊片層和第三柔性墊片層(如果存在)可以包含至少95重量％的玻璃或玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷可以有利地為可加工陶瓷如Macor?。
[0091]在一個優(yōu)選的實施方式中，對于包含5個層的多層密封，第一柔性墊片層和第二柔性墊片層為包含至少95重量％的金、銀、鈀或它們的合金的金屬，而第三柔性墊片層包含至少95重量％的玻璃或玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷可有利地為可加工陶瓷如Macor⑧。
[0092]第一和第二柔性墊片層的厚度在加熱之前可以為0.0025mm至1.25mm或在加熱之前為0.025mm至1.25mm。第三柔性墊片層的厚度在加熱之前可以為0.025mm至2.5mm或
0.025mm至1.25mm。如果金屬密封表面或陶瓷密封表面不是完全平整的，則柔性層應(yīng)足夠地厚以適應(yīng)任何不平坦。
[0093]剪切墊片層和柔性墊片層的厚度維度為垂直于導(dǎo)管的密封表面的維度。
[0094]剪切墊片層和柔性墊片層的寬度維度對應(yīng)于導(dǎo)管壁的厚度維度。
[0095]所述一個或多個剪切墊片層的寬度可以大于、小于或等于所述柔性墊片層的寬度。所述一個或多個剪切墊片層的寬度可以大于、小于或等于所述陶瓷導(dǎo)管壁的厚度。所述一個或多個剪切墊片層的寬度可以大于、小于或等于所述金屬導(dǎo)管壁的厚度。所述陶瓷導(dǎo)管壁的厚度可以大于、小于或等于所述金屬導(dǎo)管壁的厚度。所述柔性墊片層的寬度可以大于、小于或等于所述陶瓷導(dǎo)管壁的厚度。所述柔性墊片層的寬度可以大于、小于或等于所述金屬導(dǎo)管壁的厚度。
[0096]對于包含5個層的多層密封，第三柔性墊片層可以比第一柔性墊片層和第二柔性墊片層中的任一個更厚。
[0097]為了制造所述密封，可以多種方式向所述剪切墊片層施加柔性墊片層，所述方式包括例如但不限于浸涂、涂刷、絲網(wǎng)印刷、沉積、濺射、流延和沉降。另外，柔性墊片層材料可以多種形式提供，包括例如以纖維、粒子、粉末、衆(zhòng)料、液體懸浮體、膏體、陶瓷帶、金屬箔、金屬片材及其它提供。
[0098]為了密封金屬導(dǎo)管與陶瓷導(dǎo)管之間的接合處，將如本文所公開的多層密封定位于金屬導(dǎo)管的密封表面和陶瓷導(dǎo)管的密封表面之間使得第一柔性墊片層61貼靠于陶瓷導(dǎo)管的密封表面65而第二柔性墊片層位于第一剪切墊片層71和金屬導(dǎo)管的密封表面85之間。然后通過施加垂直于密封表面的壓縮力來實現(xiàn)密封以在裝置的運(yùn)行條件下既保持密封層于其適當(dāng)?shù)奈恢糜质沟萌嵝詫影聪噜彵砻嬷械谋砻嫒毕菟苄巍嚎s力可以完全由裝置的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的壓差提供(即，沒有機(jī)械機(jī)構(gòu))?？梢允褂萌魏魏线m的幾何形狀來通過壓差產(chǎn)生壓縮力。運(yùn)行或使用過程中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力可為約34.5kPa(5psi)至約
13.8MPa(2000psi)、或約 34.5kPa(5psi)至約 3446kPa(500psi)、或約 69kPa(1psi)至約2757kPa (400psi)或約 103.5kPa(15psi)至約 2068kPa (300psi)。
[0099]本發(fā)明的密封可方便地用來連接陶瓷導(dǎo)管的圓形橫截面密封表面(如法蘭)到金屬導(dǎo)管的類似密封表面，盡管可以使用任何合適的橫截面形狀。對于這種類型的應(yīng)用，一個或多個剪切墊片層和柔性墊片層可具有圓形橫截面(即，墊圈形狀)。對于給定的壓縮力，減小密封面積將增大作用于密封的每單位面積的壓縮力。然而，使墊片更窄將縮短通過密封泄漏的閾值距離。因此之故，通常存在最佳密封面積并且通常不期望一個或多個剪切墊片層和柔性墊片層彼此或與導(dǎo)管具有相同的內(nèi)徑和外徑。相反，一個或多個剪切墊片層和柔性墊片層的尺寸應(yīng)確定為使得每單位密封面積的壓縮力(其為一個或多個剪切墊片層、柔性墊片層或者法蘭面積之一中的較小者)、最小密封尺寸(高壓和低壓氣體之間的距離)、密封部件的成本和被密封的系統(tǒng)所特有的其它考慮事項的平衡最優(yōu)化。
[0100]所述離子傳輸膜組件可以包括美國專利US7179323、US7335247、US7425231、US7658788、US7771519和US8114193中描述的任何特征，這些專利通過引用并入本文。
[0101]實施例
[0102]通過在超級合金密封杯與在密封面上加工平整的6.35mm厚MgO圓盤之間形成密封來測試各種密封構(gòu)型。密封杯由38.1mm直徑的金屬杯構(gòu)成,該金屬杯被挖空使得壁具有25.4mm的內(nèi)徑。向杯的底部焊接金屬管并穿透到杯的挖空內(nèi)部。使此整個組件位于壓力容器內(nèi)，該壓力容器可被進(jìn)給以空氣并控制在至多1.76MPa的壓力下。使該壓力容器位于爐內(nèi)，從而允許在750-950°C的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試。
[0103]連接到杯的底部的管一端穿透壓力邊界并通向質(zhì)量流量計以允許測量在任何給定的時間下通過密封的空氣流量?？梢栽趬毫θ萜鲀?nèi)一次平行地測試至多八個這樣的密封臺(stand)/樣品。密封僅通過空氣壓力來壓縮，密封的下游側(cè)處于大氣壓力下。測試方案通常包括使樣品經(jīng)受一系列其中升高溫度至目標(biāo)范圍內(nèi)的預(yù)定水平并然后升高壓力至高于或等于1.48MPa的點的周期。在這些條件下給定的持續(xù)時間后，使容器減壓至一定的最低水平(在這些測試的情況下，0.163MPa)并然后冷卻至低于50°C的溫度，然后開始下一周期。對于下面以實施例提供的測試，一個周期的持續(xù)時間通常為168小時。
[0104]實施例1:單獨(dú)的云母墊片-使用單個金云母紙墊片，35.56mm OD (外徑)X27.94mm ID(內(nèi)徑)Χ0.1016mm厚。在該測試中，所述周期在1.48MPa下進(jìn)行。測試兩個相同的樣品。
[0105]實施例2:單獨(dú)的金墊片-使用單個金墊片，35.56mm ODX 27.94mmIDX0.0762mm厚。在此測試中，所述周期在1.48MPa下進(jìn)行。測試四個相同的樣品。
[0106]實施例3:金-云母-金三層密封-使用了三個墊片的集合。底部和頂部墊片為金，35.56mm ODX 27.94mm IDX0.0762mm 厚。中間墊片為金云母紙，35.56mm ODX 27.94mmIDX0.1016mm厚。在此測試中，所述周期在1.65MPa下進(jìn)行。測試兩個相同的樣品。
[0107]實施例4:五層密封-使用了五個層疊墊片的集合。底部和頂部墊片為金，35.56mm ODX 27.94mm IDX0.0254mm厚。從底部起第二和第四塾片為金云母紙，35.56mmODX27.94mm IDX0.1016mm 厚。中間墊片由 Macor? 力卩工成 35.56mm ODX27.94mmIDX0.508mm厚。Macor?為玻璃-陶瓷材料，由硼硅酸鹽玻璃基質(zhì)中氟金云母的小微晶組成。在此測試中，所述周期在1.65MPa下進(jìn)行。測試兩個相同的樣品。
[0108]結(jié)果:在每個周期期間對每個實施例測定的平均泄漏速率(標(biāo)準(zhǔn)cc/min)列表示于表I中。
[0109]表I
[0110]
泄漏速率(sccm)
周期單獨(dú)的云母單獨(dú)的金金-云母-金5層
1336 30^17.9 8.4 6 911.7 63555549
2293 233失效失效失效失效 51434841
3311 23343396050
4313 25338366351
551368360
[0111]云母密封在逐次周期中提供了相當(dāng)穩(wěn)定的性能，但總體泄漏速率高。金密封提供了優(yōu)異的性能，但僅持續(xù)一個周期。在第一冷卻期間中觀察到泄漏速率的急劇增大，以致在下一周期的加壓期間泄漏速率變得不可測量地高。
[0112]金-云母-金三層密封提供了很好的密封質(zhì)量并且在五個循環(huán)的系列中保持該性能。實驗已經(jīng)表明，當(dāng)在已加工平整的兩個密封表面之間形成高溫密封時，這些密封為優(yōu)異的密封。然而，在密封至未加工平整的表面時，必須使用大量的金來順應(yīng)表面的不平整性。在這些情況下，五層密封給出了使用便宜得多的材料提供額外的適形性的優(yōu)點。在此實施例中，為此目的使用Macor??？傮w密封性能在一定程度上差于金_云母-金密封，并且看起來有更大的逐周期退化。然而，在一些應(yīng)用中此性能缺點是可以接受的并且成本優(yōu)勢可能使得其為合理的選擇。
【權(quán)利要求】
1.離子傳輸膜組件，所述離子傳輸膜組件包括: (a)壓力容器，所述壓力容器具有內(nèi)部、外部、入口、第一出口和第二出口； (b)多個平面的離子傳輸膜模塊，所述模塊操作性地設(shè)置在所述壓力容器的內(nèi)部中，每個平面的離子傳輸膜模塊包含混合金屬氧化物陶瓷材料并具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，每個膜模塊終止于具有密封表面的陶瓷導(dǎo)管中，其中所述壓力容器的所述入口和所述第一出口與所述膜模塊的所述外部區(qū)域流體流動連通； (C) 一個或多個氣體歧管，所述氣體歧管與所述膜模塊的內(nèi)部區(qū)域以及與所述壓力容器的所述外部流體流動連通， 其中每個膜模塊的所述陶瓷導(dǎo)管連接到所述一個或多個氣體歧管的金屬導(dǎo)管，在所述陶瓷導(dǎo)管和所述金屬導(dǎo)管之間操作性地設(shè)置多層密封，每個金屬導(dǎo)管具有密封表面； 其中每個多層密封包括: 第一剪切墊片層； 第一柔性墊片層，其中所述第一柔性墊片層直接接觸所述陶瓷導(dǎo)管的所述密封表面；和 第二柔性墊片層，其中所述第二柔性墊片層直接接觸所述金屬導(dǎo)管的所述密封表面； 其中所述第一剪切墊片層操作性地設(shè)置在所述第一柔性墊片層和所述第二柔性墊片層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子傳輸膜組件，其中所述多層密封還包括: 第二剪切墊片層；和 第三柔性墊片層； 其中所述第三柔性墊片層操作性地設(shè)置在所述第一剪切墊片層和所述第二剪切墊片層之間；和 其中所述第二剪切墊片層操作性地設(shè)置在所述第三柔性墊片層和所述第二柔性墊片層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第一剪切墊片層和/或所述第二剪切墊片包含選自云母、蛭石、蒙脫土、石墨和六角氮化硼的礦物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第一柔性墊片層、所述第二柔性墊片層和所述第三柔性墊片層中的至少之一包含選自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃復(fù)合物、金屬陶瓷、金屬、金屬合金和金屬復(fù)合物的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第三柔性墊片層的材料為玻璃、玻璃-陶瓷或玻璃復(fù)合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第一剪切墊片層的厚度為0.025mm至0.75mm,并且所述第二剪切墊片層的厚度為0.025mm至0.75mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中在加熱之前所述第一柔性墊片層的厚度為0.0025mm至1.25mm并且在加熱之前所述第二柔性墊片層的厚度為0.0025mm 至 1.25mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中在加熱之前所述第三柔性墊片層的厚度為0.025mm至2.5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第三柔性墊片層的厚度大于所述第一柔性墊片層的厚度并且大于所述第二柔性墊片層的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第一剪切墊片層和所述第二剪切墊片層中的至少之一具有潤滑的特性或者為包括片材或絮片的片狀結(jié)構(gòu)，所述片材或絮片可在基本平行于所述片材或絮片的方向上相對于彼此位移。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中每個膜模塊的所述陶瓷導(dǎo)管由一種或多種單相多組分金屬氧化物和/或一種或多種多相復(fù)合材料構(gòu)造。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中每個膜模塊的所述陶瓷導(dǎo)管具有圓形橫截面和/或其中所述一個或多個氣體歧管的所述金屬導(dǎo)管中的每一個具有圓形橫截面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的離子傳輸膜組件，其中所述第一柔性墊片層、所述第二柔性墊片層、所述第三柔性墊片層、所述第一剪切墊片層和所述第二剪切墊片層中的每一個具有圓形橫截面。
【文檔編號】B01D63/00GK203990319SQ201420396268
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】S·C·坦塔雷里, A·W·王, L·L·安德森, E·明福德, R·P·安德伍德 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司