CN203990319U - 具有多层密封的离子传输膜组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了离子传输膜组件，其包括压力容器、多个具有陶瓷导管的平面的离子传输膜模块、一个或多个具有金属导管的气体歧管和将所述陶瓷导管连接到所述金属导管的多层密封。所述多层密封包括两个或更多个柔性垫片层和一个或多个剪切垫片层。

Description

具有多层密封的离子传输膜组件

技术领域

本发明涉及离子传输膜组件。更具体地，本发明涉及具有多层密封的离子传输膜组件。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明至少部分地利用根据DOE合作协议编号DE-FC26-98FT40343来自美国能源部的资金进行。美国政府对本发明享有一定权利。

背景技术

离子传输膜装置需要金属导管到陶瓷导管的过渡。通常，陶瓷离子传输膜装置需要被联结到金属管道系统以向下一过程操作传送渗透侧产物。对此管道系统使用与膜中所用相同的陶瓷材料是既不经济实用又不机械实用的。无论工作温度、压力和气体组成中的重大变化，从金属到陶瓷的过渡必须保持充分无泄漏。因此，需要金属导管和陶瓷导管之间的密封，所述密封将适应热膨胀系数和化学膨胀系数方面大的差异，并还在超过800℃的温度和最高约2.5MPa(绝压)(350psig)的压力下在长时间的运行中提供稳健的性能，压差将对所述密封提供压缩力。所述密封必须既能够在高压下又能够在低压下提供密封。与金属件和陶瓷件接触的密封部件与这些件化学相容也是必需的。

在特别适合于离子传输膜装置的同时，本文所述的陶瓷件和金属件之间的多层密封还可应用于在类似的温度和压力下运行并需要充分无泄漏密封的其它技术。

工业上需要陶瓷导管与金属导管之间充分防漏并耐久的密封。

发明内容

本发明涉及离子传输膜组件，其包括将陶瓷导管连接到金属导管的多层密封。

所述密封有如下面概述的若干方面。下文中，将概述离子传输膜组件的多个具体方面。括号中给出的附图标记和表达指的是下文参考附图进一步说明的示例性实施方式。然而，所述附图标记和表达仅是说明性的而不是将所述方面限于示例性实施方式的任何特定部件或特征。所述方面可以阐述为权利要求，在其中，括号中给出的附图标记和表达视情况被略去或被其它所替代。

方面1、离子传输膜组件(1)，所述组件(1)包括：

(a)压力容器(10)，其具有内部(12)、外部(14)、入口(16)、第一出口(18)和第二出口(8)；

(b)多个平面的离子传输膜模块(21-25)，其操作性地设置在压力容器(10)的内部(12)中，每个平面的离子传输膜模块(21-25)包含混合金属氧化物陶瓷材料并具有内部区域和外部区域，每个膜模块(21-25)终止于具有密封表面(65)的陶瓷导管(31-35)中，其中压力容器(10)的入口(16)和第一出口(18)与膜模块(21-25)的外部区域流体流动连通；

(c)一个或多个气体歧管(41-45)，其与膜模块(21-25)的内部区域以及与压力容器(10)的外部(14)流体流动连通，

其中每个膜模块(21-25)的陶瓷导管(31-35)连接到一个或多个气体歧管(41-45)的金属导管(51-55)，在陶瓷导管(31-35)和金属导管(51-55)之间操作性地设置多层密封，每个金属导管(51-55)具有密封表面(85)；

其中每个多层密封包括：

第一剪切垫片层(shear gasket layer)(71)；

第一柔性垫片层(compliant gasket layer)(61)，其中第一柔性垫片层直接接触陶瓷导管的密封表面(65)；和

第二柔性垫片层(81)，其中第二柔性垫片层(81)直接接触金属导管(51)的密封表面(85)；

其中第一剪切垫片层(71)操作性地设置在第一柔性垫片层(61)和第二柔性垫片层(81)之间。

方面2、方面1的离子传输膜组件，其中所述多层密封还包括：

第二剪切垫片层(91)；和

第三柔性垫片层(101)；

其中第三柔性垫片层(101)操作性地设置在第一剪切垫片层(71)和第二剪切垫片层(91)之间；和

其中第二剪切垫片层(91)操作性地设置在第三柔性垫片层(101)和第二柔性垫片层(81)之间。

方面3、方面1或方面2的离子传输膜组件，其中第一剪切垫片层(71)和/或第二剪切垫片(91)包含选自云母、蛭石、蒙脱土、石墨和六角氮化硼的矿物。

方面4、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一柔性垫片层(61)、第二柔性垫片层(81)和第三柔性垫片层(101)中的至少之一包含选自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃复合物、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合物的材料。

方面5、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一剪切垫片层和/或第二剪切垫片层包含至少95重量％的选自云母、蛭石、蒙脱土、石墨和六角氮化硼的矿物。

方面6、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一柔性垫片层和第二柔性垫片层为包含至少95重量％的金、银、钯或它们的合金的金属。

方面7、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第三柔性垫片层(101)的材料为玻璃、玻璃-陶瓷或玻璃复合物。

方面8、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一剪切垫片层的厚度为0.025mm至0.75mm或0.025mm至0.25mm，并且第二剪切垫片层的厚度为0.025mm至0.75mm或0.025mm至0.25mm。

方面9、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中在加热之前第一柔性垫片层的厚度为0.0025mm至1.25mm或0.025mm至1.25mm，并且在加热之前第二柔性垫片层的厚度为0.0025mm至1.25mm或0.025mm至1.25mm。

方面10、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中在加热之前第三柔性垫片层的厚度为0.025mm至2.5mm或0.025mm至1.25mm。

方面11、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第三柔性垫片层的厚度大于第一柔性垫片层的厚度并且大于第二柔性垫片层的厚度。

方面12、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一剪切垫片层和第二剪切垫片层中的至少之一具有润滑的特性或者为包括片材或絮片(flakes)的片状结构，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对于彼此位移。

方面13、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中每个膜模块的陶瓷导管(31-35)由一种或多种单相多组分金属氧化物和/或一种或多种多相复合材料构造。

方面14、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中每个膜模块的陶瓷导管具有圆形横截面。

方面15、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中所述一个或多个气体歧管的金属导管中的每一个具有圆形横截面。

方面16、前述方面中任一项的离子传输膜组件，其中第一柔性垫片层、第二柔性垫片层、第三柔性垫片层、第一剪切垫片层和第二剪切垫片层中的每一个具有圆形横截面。

附图说明

图1A为具有3层密封的离子传输膜组件的内部的示意性侧视图。

图1B为图1A的横截面视图。

图2A为具有5层密封的离子传输膜组件的内部的示意性侧视图。

图2B为图2A的横截面视图。

具体实施方式

如本文所用，当应用于说明书和权利要求书中所述的本发明实施方式中的任何特征时，不以数量词修饰是指一个或多个。不以数量词修饰不是将含义限于单一特征，除非明确指出了这样的限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“所述/该”表示一个特定的指定特征或多个特定的指定特征并可具有单数或复数涵义，具体取决于使用其时的上下文。形容词“任何/任意”是指不受限制的任何量的一个、一些或全部。术语“和/或”置于第一实体和第二实体之间是指如下之一：(1)第一实体、(2)第二实体和(3)第一实体和第二实体。术语“和/或”置于3个或更多个实体的列举中的最后两个实体之间是指该列举中的实体中的至少一个，包括该列表中的实体的任何特定组合。

如本文所用，“第一”“第二”“第三”等用来从多个步骤和/或部件和/或特征中进行区分，而不是指示时间和/或空间中的相对位置。

在给出重量％值之处，这个值为相应部件例如剪切垫片层或柔性垫片层的总重量的分数。

下面的定义适用于本文给出的本发明实施方式的描述中使用的术语。

“离子传输膜组件”为用于氧回收或用于氧化反应的多个离子传输膜模块及相关硬件的阵列的通称。离子传输膜组件可以为离子传输膜分离组件，其为用于从含氧气体中分离和回收氧的离子传输膜系统。离子传输膜组件可以为离子传输膜反应器系统，其为用于氧化反应的离子传输膜系统。

“离子传输膜组件”，也称为“离子传输膜系统”，包括多个膜模块、容纳所述一个或多个膜模块的压力容器以及为引入一个或多个进料流和取走由所述一个或多个进料流形成的两个或更多个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领域已知的一个或多个流动抑制管、绝缘材料、歧管等。所述多个膜模块可以并联地和/或串联地布置。

“离子传输膜模块”，有时称为“膜堆叠”，为多个膜单元的阵列。

“膜单元”，也称为“膜结构”，具有操作性地设置为使得气体流过所述膜单元的表面的气体流入区域和气体流出区域。从膜模块的流入区域流向流出区域的气体的组成随着其穿过模块中膜结构的表面而改变。每个膜单元具有由允许氧离子从中渗透通过的活性膜层或区域分开的含氧气体进料侧和渗透侧。每个膜单元还具有内部区域和外部区域。

在膜模块作为氧分离装置进行运行的一个实施方式中，含氧气体进料侧可以与膜结构的外部区域相邻而渗透侧可以与膜结构的内部区域相邻。

在膜模块作为氧化反应装置进行运行的另一个实施方式中，含氧气体进料侧可以与膜结构的内部区域相邻而渗透侧可以与膜结构的外部区域相邻。在此替代实施方式中，反应物进料气体流动通过膜结构的外部区域并与所渗透的氧反应。因此在此实施方式中，渗透侧也是膜结构的反应物气体侧。可以在膜结构的反应物气体侧上提供催化剂。

膜单元可具有平面的构型，其中由两个平行的平面构件绕其周缘的至少一部分密封形成具有中心或内部区域和外部区域的膜片(wafer)。氧离子渗透通过可置于平面构件的任一或两个表面上的活性膜材料。气体可以流经所述膜片的中心或内部区域，并且膜片具有一个或多个气体流动开口以允许气体进入和/或离开所述膜片的内部区域。因此，氧离子可以从所述外部区域渗透到所述内部区域中，或相反地可以从所述内部区域渗透到所述外部区域。

膜单元可具有本领域已知的任何构型。当膜单元具有平面构型时，通常称其为“膜片”。

膜单元的部件包括离子传输膜，其为陶瓷膜材料的活性层，所述陶瓷膜材料包含能够在升高的温度下传输或渗透氧离子的混合金属氧化物。离子传输膜还可传输电子以及氧离子，这种类型的离子传输膜通常被描述为混合导体膜。所述膜单元可还包括支承所述活性膜层的结构部件以及引导气体流进和流出所述膜表面的结构部件。结构部件可以包括本领域已知的多孔支承层、开槽支承层和流动通道层。活性膜层通常包含混合金属氧化物陶瓷材料并还可包含一种或多种单质金属从而形成复合膜。膜模块的结构部件可以由任何适宜的材料例如混合金属氧化物陶瓷材料制成并还可包含一种或多种单质金属。活性膜层和结构部件中的任何一种可以由相同的材料制成。

可串联地布置单个模块，这意味着沿单个轴设置若干模块。通常，穿过第一模块中的膜结构的表面的气体从该模块的流出区域流出，其后，该气体中的一些或全部进入第二模块的流入区域并在其后流过第二模块中的膜结构的表面。单个模块的系列的轴可以与总体流动方向或者气体通过串联模块的轴平行或几乎平行。

模块可以以两个或更多个平行模块的集群(bank)进行布置，其中平行模块的集群位于不与总体流动方向或者气体通过模块的轴平行并通常可以与其正交的轴上。可以串联地布置模块的多个集群，这根据定义是指模块的集群被设置为使得至少一部分已穿过第一模块集群中的膜结构的表面的气体流过第二模块集群中的膜结构的表面。

可以串联地布置任意数量的单个模块或模块集群。在一个实施方式中，在一系列单个模块中或在一系列模块集群中的模块可位于一个或多个公共轴上，其中轴的数量等于一或等于每个集群中的模块数。在下文描述的另一个实施方式中，在一系列模块或模块集群中的相继的模块或模块集群可以以交替的方式偏置使得模块分别位于至少两个轴上或位于大于集群中模块数的轴数上。这两种实施方式均涵盖在如本文所用的串联模块的定义中。

优选地，与所述膜模块的外部区域中的外表面接触的气体处在比所述膜模块的内部区域内的气体更高的压力下。

流动抑制管定义为环绕多个串联膜模块的导管或闭合通道，所述导管或闭合通道引导气体流过串联模块。

歧管为引导气体进入和/或离开膜模块的内部区域的管或导管的组件。可以通过在第二或外导管内安装第一或内导管来组合两个歧管，其中第一导管提供第一歧管而所述导管之间的环带提供第二歧管。所述导管可以是同心或同轴的，其中这两个术语具有相同的含义。作为替代方案，所述导管可以不是同心或同轴的而是可以具有单独的平行或非平行的轴。提供组合歧管功能的这种内导管和外导管构型在本文中定义为嵌套歧管。

流体流动连通是指膜模块和容器系统的部件相对于彼此定向为使得气体可以容易地从一个部件流动到另一个部件。

膜片为具有中心或内部区域及外部区域的膜结构，其中所述膜片由两个平行的平面构件绕其周缘的至少一部分密封而形成。活性膜材料可以置于平面构件的任一或两个表面上。气体可以流动通过膜片的中心或内部区域，即内部区域的所有部分流动连通，并且膜片具有一个或多个气体流动开口以允许气体进入和/或离开膜片的内部区域。膜片的内部区域可以包括多孔和/或带通道的材料，所述材料允许气体流动通过内部区域并机械支承平行的平面构件。活性膜材料传输或渗透氧离子但对于任何气体的流动是不透过的。

示例性的离子传输膜层、膜单元、膜模块和离子传输膜组件(系统)描述在美国专利5,681,373和7,179,323中。

本发明涉及离子传输膜组件。所述离子传输膜组件将参照附图进行描述。

所述离子传输膜组件包含压力容器10，所述压力容器10具有内部12、外部14、入口16、第一出口18和第二出口8。

所述离子传输膜组件还包含多个设置在压力容器10的内部12中的平面的离子传输膜模块21、22、23、24、25。每个平面的离子传输膜模块21-25包含混合金属氧化物陶瓷材料并且具有内部区域和外部区域。每个膜模块21-25分别终止于具有密封表面65的陶瓷导管31、32、33、34、35中。压力容器10的入口16和第一出口18与膜模块21-25的外部区域流体流动连通。

陶瓷导管31-35可以由已知用于离子传输膜装置中的任何陶瓷构造，例如，单相多组分金属氧化物或多相复合材料。单相多组分金属氧化物的实例包括混合的氧离子和电子传导钙钛矿及掺杂的镍酸镧。多相复合材料的实例包括离子导体如荧石与电子导体如钙钛矿的两相混合物。混合的氧离子和电子传导钙钛矿的实例包括呈Ln_xA’_x’A”_x”B_yB’_y’B”_y”O_3-z的组成，其中Ln选自La和镧系元素；A’选自碱土金属元素，A”独立地选自La、镧系元素和碱土金属元素；B、B’和B”独立地选自第一行过渡金属、Al、Ga和Mg；0≤x≤1；0≤x’≤1；0≤x”≤1；0<y≤1；0≤y’≤1；0≤y”≤1；x+x’+x”＝1；0.9<y+y’+y”<1,1；并且z为使得化合物电中性的数。

所述离子传输膜组件还包含一个或多个气体歧管41、42、43、44、45，其与膜模块21-25的内部区域以及与压力容器10的外部14流体流动连通。

每个膜模块21-25的陶瓷导管31-35连接到所述一个或多个气体歧管41-45的相应金属导管51、52、53、54、55，并在陶瓷导管和金属导管之间设置多层密封。每个金属导管51-55具有密封表面85。

金属导管51-55可由已知用于离子传输膜装置中的任何金属构造。合适的金属可以包括例如800H、800、800HT、253MA、353MA、230、214、HR-120、600、601和602CA。

每个多层密封包含第一剪切垫片层71、第一柔性垫片层61和第二柔性垫片层81。每个多层密封的第一柔性垫片层61与相应的陶瓷导管31-35的密封表面65直接接触。每个多层密封的第二柔性垫片层81与相应的金属导管51-55的密封表面85直接接触。每个多层密封的第一剪切垫片层71操作性地设置在第一柔性垫片层61和第二柔性垫片层81之间。

图1A和图1B示出了具有第一剪切垫片层71、第一柔性垫片层61和第二柔性垫片层81的3层密封。

每个多层密封可以还包含第二剪切垫片层91和第三柔性垫片层101。如果存在，第三柔性垫片层101操作性地设置在第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91之间。如果存在，第二剪切垫片层91操作性地设置在第三柔性垫片层101和第二柔性垫片层81之间。

图2A和图2B示出了具有第一剪切垫片层71、第一柔性垫片层61、第二柔性垫片层81、第二剪切垫片层91和第三柔性垫片层101的5层密封。

多层密封防止流体通过接合处从导管的外部流动到结合的导管的内部或从导管的内部流动到结合的导管的外部。陶瓷导管的密封表面和金属导管的密封表面可以至少基本上彼此平行和/或分开等于经压缩的多层垫片的厚度的距离。

第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91(如果存在)具有适应平行于密封表面的平面(平行于金属和陶瓷导管的密封表面)作用的剪切应变的能力。因此，剪切垫片层的材料或必须在与陶瓷体或柔性层接触放置时具有低的摩擦系数，或它们必须具有允许其在低应力下发生剪切应变的结构。

第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91(如果存在)为“剪切层”或“滑移层”，其具有润滑的特性或者为其中片材可跨越(平行于)彼此位移的片状结构。这样，剪切层适应了金属和陶瓷导管的热和化学膨胀方面的差异。

如本文所用，术语“柔性”意指在离子传输膜装置的运行条件下材料在给定的压缩力下具有一定程度的塑性变形使得其适形于相邻表面而封锁气体通过接合处泄漏的通路的材料性质。这样的气体泄漏通路可产生自例如相邻的部件表面中的缺陷或者表面中的其它不规则性，包括金属部件上的凹槽或者陶瓷部件上的凹槽或空隙。

柔性垫片层的主要功能是适应金属导管的密封表面和相邻的剪切垫片层中的不规则性以及陶瓷导管的密封表面中偏离平整的较大尺度的偏差。

第一剪切垫片层和第二剪切垫片层(如果存在)可以包含选自云母、蛭石、蒙脱土、石墨和六角氮化硼的矿物。第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91(如果存在)可以包含至少95重量％的选自云母、蛭石、蒙脱土、石墨和六角氮化硼的矿物。第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91(如果存在)可以为云母纸、蛭石纸、渗入滑石的蛭石纸或氮化硼片材。第一剪切垫片层71和第二剪切垫片层91(如果存在)可以为例如Flexitallic Thermiculite^TM866。

如果使用云母纸，则云母纸可以包含粘结剂或者云母纸可以是无粘结剂的。如果使用蛭石纸，则蛭石纸可以包含粘结剂或者蛭石纸可以是无粘结剂的。

术语“云母”涵盖不同化学组成和物理性质的具有层状结构的一组复杂铝硅酸盐矿物。更具体而言，云母为铝的复杂含水硅酸盐，含有钾、镁、铁、钠、氟和/或锂及痕量的若干其它元素。其是稳定的并对水、酸(除氢氟酸和浓硫酸外)、碱、常规溶剂、油的作用完全惰性，并且几乎不受大气作用的影响。在化学计量上，常见的云母可以如下描述：

AB_2-3(Al,Si)Si₃O₁₀(F,OH)₂

其中A＝K、Ca、Na或Ba，以及有时的其它元素，并且其中B＝Al、Li、Fe或Mg。虽然有各种各样的云母，但以下六种形式构成常见类型的大多数：黑云母(K₂(Mg,Fe)₂(OH)₂(AlSi₃)₁₀))、铬云母(富铁黑云母)、锂云母(LiKAl₂(OH,F)₂(Si₂O₅)₂)、白云母(KAl₂(OH)₂(AlSi₃O₁₀))、金云母(KMg₃Al(OH)Si₄O₁₀))和铁锂云母(与锂云母类似，但富铁)。云母可以以纸的形式或以单晶形式商购获得，其每一种形式均为本发明的各种实施方式所涵盖。纸形式的云母通常由云母絮片和粘结剂例如有机粘结剂例如硅氧烷粘结剂或环氧树脂构成，并可形成为各种厚度，常常从约50微米直到数毫米。单晶形式的云母通过从天然云母矿床直接解理获得，并通常不与聚合物或粘结剂混合。

第一剪切垫片层的第一表面可与第一剪切垫片层的第二表面至少基本上平行。第一剪切垫片层的厚度可以为0.025mm至0.75mm或0.025mm至0.25mm。

第一剪切垫片层，作为密封的一部分，防止流体流动通过接合处，即其“密封”。

如果存在第二剪切垫片层，则第二剪切垫片层的第一表面可与第二剪切垫片层的第二表面至少基本上平行。如果存在，第二剪切垫片层的厚度可以为0.025mm至0.75mm或为0.025mm至0.25mm。第二剪切垫片层，作为密封的一部分，防止流体流动通过接合处，即其“密封”。

第一柔性垫片层、第二柔性垫片层和第三柔性垫片层(如果存在)各自包含选自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃复合物、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合物的材料。第一柔性垫片层、第二柔性垫片层和第三柔性垫片层(如果存在)可以包含所述组中相同的材料或来自所述组的不同材料。

第一柔性垫片层、第二柔性垫片层和第三柔性垫片层(如果存在)可以为包含至少95重量％的金、银、钯或它们的合金的金属。

第一柔性垫片层、第二柔性垫片层和第三柔性垫片层(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为可加工陶瓷如

在一个优选的实施方式中，对于包含5个层的多层密封，第一柔性垫片层和第二柔性垫片层为包含至少95重量％的金、银、钯或它们的合金的金属，而第三柔性垫片层包含至少95重量％的玻璃或玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷可有利地为可加工陶瓷如

第一和第二柔性垫片层的厚度在加热之前可以为0.0025mm至1.25mm或在加热之前为0.025mm至1.25mm。第三柔性垫片层的厚度在加热之前可以为0.025mm至2.5mm或0.025mm至1.25mm。如果金属密封表面或陶瓷密封表面不是完全平整的，则柔性层应足够地厚以适应任何不平坦。

剪切垫片层和柔性垫片层的厚度维度为垂直于导管的密封表面的维度。

剪切垫片层和柔性垫片层的宽度维度对应于导管壁的厚度维度。

所述一个或多个剪切垫片层的宽度可以大于、小于或等于所述柔性垫片层的宽度。所述一个或多个剪切垫片层的宽度可以大于、小于或等于所述陶瓷导管壁的厚度。所述一个或多个剪切垫片层的宽度可以大于、小于或等于所述金属导管壁的厚度。所述陶瓷导管壁的厚度可以大于、小于或等于所述金属导管壁的厚度。所述柔性垫片层的宽度可以大于、小于或等于所述陶瓷导管壁的厚度。所述柔性垫片层的宽度可以大于、小于或等于所述金属导管壁的厚度。

对于包含5个层的多层密封，第三柔性垫片层可以比第一柔性垫片层和第二柔性垫片层中的任一个更厚。

为了制造所述密封，可以多种方式向所述剪切垫片层施加柔性垫片层，所述方式包括例如但不限于浸涂、涂刷、丝网印刷、沉积、溅射、流延和沉降。另外，柔性垫片层材料可以多种形式提供，包括例如以纤维、粒子、粉末、浆料、液体悬浮体、膏体、陶瓷带、金属箔、金属片材及其它提供。

为了密封金属导管与陶瓷导管之间的接合处，将如本文所公开的多层密封定位于金属导管的密封表面和陶瓷导管的密封表面之间使得第一柔性垫片层61贴靠于陶瓷导管的密封表面65而第二柔性垫片层位于第一剪切垫片层71和金属导管的密封表面85之间。然后通过施加垂直于密封表面的压缩力来实现密封以在装置的运行条件下既保持密封层于其适当的位置又使得柔性层按相邻表面中的表面缺陷塑形。压缩力可以完全由装置的高压侧和低压侧之间的压差提供(即，没有机械机构)。可以使用任何合适的几何形状来通过压差产生压缩力。运行或使用过程中产生的压缩应力可为约34.5kPa(5psi)至约13.8MPa(2000psi)、或约34.5kPa(5psi)至约3446kPa(500psi)、或约69kPa(10psi)至约2757kPa(400psi)或约103.5kPa(15psi)至约2068kPa(300psi)。

本发明的密封可方便地用来连接陶瓷导管的圆形横截面密封表面(如法兰)到金属导管的类似密封表面，尽管可以使用任何合适的横截面形状。对于这种类型的应用，一个或多个剪切垫片层和柔性垫片层可具有圆形横截面(即，垫圈形状)。对于给定的压缩力，减小密封面积将增大作用于密封的每单位面积的压缩力。然而，使垫片更窄将缩短通过密封泄漏的阈值距离。因此之故，通常存在最佳密封面积并且通常不期望一个或多个剪切垫片层和柔性垫片层彼此或与导管具有相同的内径和外径。相反，一个或多个剪切垫片层和柔性垫片层的尺寸应确定为使得每单位密封面积的压缩力(其为一个或多个剪切垫片层、柔性垫片层或者法兰面积之一中的较小者)、最小密封尺寸(高压和低压气体之间的距离)、密封部件的成本和被密封的系统所特有的其它考虑事项的平衡最优化。

所述离子传输膜组件可以包括美国专利US7179323、US7335247、US7425231、US7658788、US7771519和US8114193中描述的任何特征，这些专利通过引用并入本文。

实施例

通过在超级合金密封杯与在密封面上加工平整的6.35mm厚MgO圆盘之间形成密封来测试各种密封构型。密封杯由38.1mm直径的金属杯构成，该金属杯被挖空使得壁具有25.4mm的内径。向杯的底部焊接金属管并穿透到杯的挖空内部。使此整个组件位于压力容器内，该压力容器可被进给以空气并控制在至多1.76MPa的压力下。使该压力容器位于炉内，从而允许在750-950℃的目标温度范围内进行测试。

连接到杯的底部的管一端穿透压力边界并通向质量流量计以允许测量在任何给定的时间下通过密封的空气流量。可以在压力容器内一次平行地测试至多八个这样的密封台(stand)/样品。密封仅通过空气压力来压缩，密封的下游侧处于大气压力下。测试方案通常包括使样品经受一系列其中升高温度至目标范围内的预定水平并然后升高压力至高于或等于1.48MPa的点的周期。在这些条件下给定的持续时间后，使容器减压至一定的最低水平(在这些测试的情况下，0.163MPa)并然后冷却至低于50℃的温度，然后开始下一周期。对于下面以实施例提供的测试，一个周期的持续时间通常为168小时。

实施例1：单独的云母垫片–使用单个金云母纸垫片，35.56mm OD(外径)×27.94mm ID(内径)×0.1016mm厚。在该测试中，所述周期在1.48MPa下进行。测试两个相同的样品。

实施例2：单独的金垫片–使用单个金垫片，35.56mm OD×27.94mm ID×0.0762mm厚。在此测试中，所述周期在1.48MPa下进行。测试四个相同的样品。

实施例3：金-云母-金三层密封–使用了三个垫片的集合。底部和顶部垫片为金，35.56mm OD×27.94mm ID×0.0762mm厚。中间垫片为金云母纸，35.56mm OD×27.94mm ID×0.1016mm厚。在此测试中，所述周期在1.65MPa下进行。测试两个相同的样品。

实施例4：五层密封–使用了五个层叠垫片的集合。底部和顶部垫片为金，35.56mm OD×27.94mm ID×0.0254mm厚。从底部起第二和第四垫片为金云母纸，35.56mm OD×27.94mm ID×0.1016mm厚。中间垫片由Macor^TM加工成35.56mm OD×27.94mm ID×0.508mm厚。Macor^TM为玻璃-陶瓷材料，由硼硅酸盐玻璃基质中氟金云母的小微晶组成。在此测试中，所述周期在1.65MPa下进行。测试两个相同的样品。

结果：在每个周期期间对每个实施例测定的平均泄漏速率(标准cc/min)列表示于表1中。

表1

云母密封在逐次周期中提供了相当稳定的性能，但总体泄漏速率高。金密封提供了优异的性能，但仅持续一个周期。在第一冷却期间中观察到泄漏速率的急剧增大，以致在下一周期的加压期间泄漏速率变得不可测量地高。

金-云母-金三层密封提供了很好的密封质量并且在五个循环的系列中保持该性能。实验已经表明，当在已加工平整的两个密封表面之间形成高温密封时，这些密封为优异的密封。然而，在密封至未加工平整的表面时，必须使用大量的金来顺应表面的不平整性。在这些情况下，五层密封给出了使用便宜得多的材料提供额外的适形性的优点。在此实施例中，为此目的使用Macor^TM。总体密封性能在一定程度上差于金-云母-金密封，并且看起来有更大的逐周期退化。然而，在一些应用中此性能缺点是可以接受的并且成本优势可能使得其为合理的选择。

Claims (13)

1.离子传输膜组件，所述离子传输膜组件包括：

(a)压力容器，所述压力容器具有内部、外部、入口、第一出口和第二出口；

(b)多个平面的离子传输膜模块，所述模块操作性地设置在所述压力容器的内部中，每个平面的离子传输膜模块包含混合金属氧化物陶瓷材料并具有内部区域和外部区域，每个膜模块终止于具有密封表面的陶瓷导管中，其中所述压力容器的所述入口和所述第一出口与所述膜模块的所述外部区域流体流动连通；

(c)一个或多个气体歧管，所述气体歧管与所述膜模块的内部区域以及与所述压力容器的所述外部流体流动连通，

其中每个膜模块的所述陶瓷导管连接到所述一个或多个气体歧管的金属导管，在所述陶瓷导管和所述金属导管之间操作性地设置多层密封，每个金属导管具有密封表面；

其中每个多层密封包括：

第一剪切垫片层；

第一柔性垫片层，其中所述第一柔性垫片层直接接触所述陶瓷导管的所述密封表面；和

第二柔性垫片层，其中所述第二柔性垫片层直接接触所述金属导管的所述密封表面；

其中所述第一剪切垫片层操作性地设置在所述第一柔性垫片层和所述第二柔性垫片层之间。

2.根据权利要求1所述的离子传输膜组件，其中所述多层密封还包括：

第二剪切垫片层；和

第三柔性垫片层；

其中所述第三柔性垫片层操作性地设置在所述第一剪切垫片层和所述第二剪切垫片层之间；和

其中所述第二剪切垫片层操作性地设置在所述第三柔性垫片层和所述第二柔性垫片层之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第一剪切垫片层和/或所述第二剪切垫片包含选自云母、蛭石、蒙脱土、石墨和六角氮化硼的矿物。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第一柔性垫片层、所述第二柔性垫片层和所述第三柔性垫片层中的至少之一包含选自玻璃、玻璃-陶瓷、玻璃复合物、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合物的材料。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第三柔性垫片层的材料为玻璃、玻璃-陶瓷或玻璃复合物。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第一剪切垫片层的厚度为0.025mm至0.75mm，并且所述第二剪切垫片层的厚度为0.025mm至0.75mm。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中在加热之前所述第一柔性垫片层的厚度为0.0025mm至1.25mm并且在加热之前所述第二柔性垫片层的厚度为0.0025mm至1.25mm。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中在加热之前所述第三柔性垫片层的厚度为0.025mm至2.5mm。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第三柔性垫片层的厚度大于所述第一柔性垫片层的厚度并且大于所述第二柔性垫片层的厚度。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第一剪切垫片层和所述第二剪切垫片层中的至少之一具有润滑的特性或者为包括片材或絮片的片状结构，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对于彼此位移。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中每个膜模块的所述陶瓷导管由一种或多种单相多组分金属氧化物和/或一种或多种多相复合材料构造。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中每个膜模块的所述陶瓷导管具有圆形横截面和/或其中所述一个或多个气体歧管的所述金属导管中的每一个具有圆形横截面。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的离子传输膜组件，其中所述第一柔性垫片层、所述第二柔性垫片层、所述第三柔性垫片层、所述第一剪切垫片层和所述第二剪切垫片层中的每一个具有圆形横截面。