CZ260299A3 - Kompozitní filtr pro horký plyn s nepřetržitými keramickými vlákny - Google Patents

Abstract

Kompozitnístrukturazkeramickéhovláknaje zvlášť vhodnájako kompozitnífiltr zkeramického vláknapro čištění horkéhoplyna 1V& strukturu, kteráposkytujezvýšenoupevnost atuhost při vysoké teplotě okolí. Keramickákompozitnístrukturači filtrje vyrobenazpůsobem, při kterémse nepřetržitěkeramickévlákno (20) při výrobětěsně obalujepřetržitýmsekanými keramickými vlákny(30) pro získání kompozitníhopolotovaru (40) z keramického vlákna, který se pakpojí pomocí různých keramickýchpojiv. Kompozitní polotovar zkeramickýchvláken se pakvypaluje pro vytvoření pojivové táze v bodech dotyku vláken. Parametryjako napříkladnapětí vlákna, odstupy vláken, porna·množství nepřetržitého keramického vláknaasekaných keramických vláken semůže měnit při současnémtvarování nepřetržitého keramického vláknaasekanéhokeramického vlákna naporéznímvakuovémvřetenu (16) pro získání požadované distribuce nepřetržitého keramického vláknaasekaného keramického vláknavkompozitnístruktuře či filtruzkeramického vlákna

Description

Kompozitní filtr pro horký plyn s nepřetržitými keramickými vlákny

Oblast techniky

Předložený vynález se týká nové vynikající kompozitní struktury z keramických vláken a způsobu její výroby, a zejména kompozitního filtru z keramických vláken pro použití při čištění horkého plynu, který využívá distribuce nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken napřič filtru, což vede k jedinečné lehké struktuře se zlepšenou pevností a tuhostí.

Dosavadní stav techniky

Spaliny z topenišť, pocházející ze spalování fosilních paliv zpravidla obsahují četné nečistoty. Pro omezeni nebo eliminaci nečistot v těchto spalinách z topenišť se používají filtry. Vyvstává nicméně potřeba zlepšených filtrů, které jsou schopné odolávat vyšším teplotám a tlakům, pro odstraňování částic ze spalin.

Moderní systémy výroby energie, jako například kombinovaný cyklus integrovaný se zplyňováním (IGCC, integrated gasification combined cycle) nebo systémy založené na spalování v tlakovém fluidním loži (PFBC, pressurized fluid bed combustor) spoléhají, pro splnění požadavků na vstup plynu do turbíny, na filtrační zařízení horkého plynu. V případě spalování v tlakovém fluidním loži (PFBC) je proud spalného plynu přítomen při teplotě v

0000 00 přibližně 1600 °Γ (871 °C) a obsahuje jak uhelný popel, tak materiál fluidního lože.

Pro udržení účinnosti systému je nezbytné aby filtrační systém pracoval při teplotě spalování nebo blízko ní. Pro separaci částic z plynného proudu při zvýšené teplotě se používají kovové i keramické filtrační prvky tvaru válce nebo svíčky (válce s uzavřeným koncem). Filtrační válce a filtrační svíčky využívají tuhých keramických prvků. Ve válcových filtračních systémech je keramický filtr namontován mezi válcové plochy a plyn proudí zevnitř prvku ven. Ve svíčkových filtračních systémech je znečištěný plyn vně filtračního prvku a čistý plyn proudí dovnitř prvku. Popel akumulovaný na povrchu filtru se odstraňuje zpětnými pulsy vysokotlakého plynu aplikovanými v opačném směru proudění v pravidelných intervalech v rozmezí několika minut až několika hodin. Protože plyn ve zpětných pulsech má teplotu okolí nebo je jen mírně předehřát, je filtrační materiál vystaven při provádění zpětných pulsů značným tepelným přechodům. Kromě toho také nepředpověditelné poruchy systému, například výpadky kotle nebo turbíny, mohou mít za následek ještě horší tepelné přechody. Selhání filtru se přisuzuje akumulaci poškození zapříčiněných těmito typy tepelných přechodů. Filtry pro horké plyny také musí být odolné vůči korozivním účinkům alkálií, síry a páry obsažené v proudu horkých spalných plynů.

Keramické filtrační prvky se zpravidla vyrábějí z hutného, hrubě mletého žáruvzdorného materiálu, jako je kordierit nebo karbid křemičitý, pojeného jinou fází. Fáze pojivá může být krystalická nebo skelná a je rozhodující pro pevnost a korozní odolnost filtru. Otevřená porozita • 99«

• 99 · · monolitického filtračního materiálu je přibližně 40 %. Pevnost v ohybu monolitického filtračního materiálu je v rozmezí i až 4 kpsi (kpsi = 1000 lb na čtvereční palec). Lom je křehký, což zpravidla vede ke katastrofálnímu selhání filtračního prvku.

Jsou vyvíjeny různé filtrační prvky na bázi keramických vláken. Ty zahrnují vakuově tvarované filtry se sekanými keramickými vlákny, filtry z keramických vláken pojenými chemickou infiltrací par (CVI, Chemical vapor infiltration), a filtrační prvky z keramických vláken pojenými metodou sol-gel. Jeden typ vláken se vyrábí vakuovým tvarováním sekaných nebo nepřetržitých keramických vláken na vřetenu za použití standardních metod výroby netkaného materiálu nebo plsti. Polotovary z vakuově tvarovaných keramických vláken se impregnují koloidními roztoky oxidu hlinitého a/nebo oxidu křemičitého a tepelně se upravují pro vytvoření vazby v místech kontaktu vláken. Výsledný filtrační prvek vykazuje pevnost v ohybu v rozmezí 200 až 500 psi (liber na čtvereční palec). Vyšší pevnost je požadována pro splnění tepelných a mechanických požadavků podle této přihlášky. Filtr složený z nepřetržitých keramických vláken pojených chemickou infiltrací par karbidu křemičitého vykazuje přijatelnou pevnost, avšak může být chemicky nestabilní v oxidačním prostředí spalovacího systému s tlakovým fluidním ložem.

Obdobný typ vysokoteplotního keramického kompozitního filtru je popsán v US patentu č. 5 196 120 (White). Filtr z keramických vláken je použitelný pro filtraci plynů při zvýšených teplotách, například plynů z pece, a skládá se z keramických vláken povlečených mezilehlou uhlíkovou vrstvou a vnějším povlakem karbidu křemičitého za použití • 9 99 • 9 9 9

9 9

9 9

9 9

9999 «9

« 9

9 9 9

9 9

9 9

9*9 999 • 9

99 chemického ukládání par. Podle jednoho vytvoření má filtr tuhou jako polotovar základnu z pramenů nepřetržitých keramických vláken. Přetržitá vlákna se mohou aplikovat ve volitelném kroku, následujícím krok výroby polotovaru, namočením polotovaru do nádrže s břečkou a vytvořením vakua uvnitř polotovaru pro vtažení přetržitých vláken (viz sl. 3, řádka 52 až sl. 4, řádka 5). White tak říká, že vakuově vinutý polotovar povlečený břečkou sekaného vlákna je znám. White však neuvádí použití fosfátového pojivá pro spojování břečky s polotovarem. Místo toho se polotovar a přetržitá vlákna zpracovávají fenolickou zahřívají v následných krocích pojení vláken. White také ukazuje, že vinutí polotovaru a povlékání břečkou sekaných vláken představuje dva rozdílné stupně pro vytvrzení a vzájemné pojení vláken, spíše než jeden současný, kontinuální krok. Výsledný polotovar tak obsahuje oddělené vrstvy nepřetržitých vláken a sekaných vláken.

pryskyřicí, a pak se pro vytvrzení a vzájemné

Singh aj. (US patent č. 5 407 734) uvádí pásku laminovanou kompozitem s keramickým vláknem. Páska se skládá z vrstvy vlákenného materiálu, s mezerami mezi vlákny, která je povlečena břečkou whiskerů keramických vláken a organického pojivového materiálu. Páska se pak zahřívá pro odstranění organického pojivového materiálu zbývajícího po spojení vlákenného materiálu a whiskerů. Poté se spojí několik pásek a laminuje se pro vytvoření kompozitní pásky. Singh aj. popisují použití sloučenin křemíku a hliníku pro výrobu keramických vláken. Singh aj. také diskutují dřívější techniky povlékání břečkou a techniky pojení. Ve sl. 1, řádky 16-35, Singh aj. uvádějí, že namáčení vláken do břečky nepřitahuje dostatečně matricové složky, a že metody pojení prostřednictím chemického ukládání par jsou příliš pomalé.

·· »» »· ·« ·· <4 ·*·» · » · * · · 4 * · · · A ·· · 4 · • · A A · · · · *·*· ·« 4« ·< ©φ ©©

Farris aj. (US patent č. 5 102 601) uvádějí výrobu kompozitu extruzí viskózního vlákna a průchodem vlákna vodní lázní za účelem koagulace materiálu vlákna před jeho navíjením na nosný válec. Myšlenka tohoto patentu je odlišná od předloženého vynálezu tím, že se nepovléká vlákno suspenzí v tanku, ale místo toho se používá tank pro vytvrzení materiálu vlákna.

Stinton aj. (US patent č. 5 075 160) popisují filtr pro odstraňování částicového materiálu z tekutin proudících při vysoké teplotě, zejména plynů, který je vyztužen keramických vláken aplikovanými chemickým ukládáním par (CVD). Tenká a rozprostřená vrstva keramické plsti, papíru atd. tvoří polotovar, který je povlečen keramikou, s výhodou karbidem křemíku (SiC).

Použití chemických pojiv v některých kompozitech keramických vláken a kovu je popsáno v článku Jeng-Maw Chiou a D.D.L.Chunga Improvement of the temperature resistance of aluminum-matrix composites using an acid phosphate binder - Part 1 - Binders, zveřejněném v Journal of Materials Science 28 , 1435-1446, 1993 (Chapman & Halí). Článek popisuje různé kompozice pojiv, jako například křemičitá a fosfátová pojivá, a jejich použití při tvarování kompozicí keramika - kovová matrice.

Eggarstedt z Industrial Filter & Pump Mfg. Co., Inc. diskutuje práci provedenou v rámci DOE objednávky DE-FG02-92ER81349 od 22. července 1992 do 17. února 1995 v článku IF&P Fibrosic™ Filters. Tento článek popisuje vytváření keramických filtračních prvků za použití vakuově tvarovaných sekaných keramických vláken. Nicméně Eggarstedt « » • « *

φ··»·

«» »« » » · · φ · ·· • φ · φ • 9 Φ Φ

Φ* ΦΦ

Φ· ·Φ • Φ · « • Φ Φ Φ

Φ »·Φ Φ·«

Φ 9

9Λ 94 nepopisuje žádné současné nanášení ani použití nepřetržitých keramických vláken navíc k sekaným vláknům, na rozdíl od předloženého vynálezu.

Přetrvává kritická potřeba vyvinutí robustnějšího materiálu trubicového filtru horkých plynů pro zlepšení spolehlivosti výše zmíněných moderních energetických systémů.

Podstata vynálezu

Hlavním předmětem předloženého vynálezu je poskytnout kompozitní filtr z keramických vláken, který má zlepšenou pevnost a tuhost, má malou hmotnost a je levně vyrobítelný. Kompozitní filtr je zvláště vhodný pro použití v aplikacích při čištění spalných plynů. Způsob výroby vakuovým navíjením podle předloženého vynálezu používá pro vakuově tvarovanou matrici z přetržitých nebo sekaných keramických vláken vyztužení z nepřetržitého keramického vlákna. Způsob v zásadě spočívá v současném navíjení nepřetržitého keramického vlákna a vakuovém tvarování sekaného keramického vlákna. Nepřetržité keramické vlákno se navíjí na porézní vřeteno, přičemž na vřeteno se čerpá břečka přetržitého vlákna. Při současné aplikaci nepřetržitého a přetržitého vlákna se nepřetržitá keramická vlákna dobře distribuují v průřezu filtru.

V souladu s tím je vynálezu koncepce způsobu z keramických vláken s jedním předmětem předloženého výroby kompozitního filtru distribuovaným nepřetržitým keramickým vláknem a sekanými keramickými vlákny v příčném řezu filtru. Uspořádá se porézní vakuové vřeteno a na vřeteno se aplikuje vakuum. Nepřetržité keramické vlákno je ·· ·· ·· ·· ·* »· ··· ···· ··»· • · · ···· ·*·· • · · · · ·· ·· ··· ··· »······ · « ··· ·· ·· ·· ·· ·· jednotlivé vlákno, které se navíjí na porézní vakuové vřeteno, přičemž se současně uvádí na porézní vakuové vřeteno zředěná břečka sekaného keramického vlákna, a nepřetržité keramické vlákno se jako jednotlivé vlákno současně navíjí pro vytvoření polotovaru kompozitního filtru z keramického vlákna, majícího distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu polotovaru. Polotovar keramického kompozitního filtru se impregnuje keramickým pojivém, odstraní se přebytek keramického pojivá, a impregnovaný polotovar keramického kompozitního filtru se vysuší. Nakonec se polotovar keramického kompozitního filtru vypálí při teplotě 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitního filtru z keramického vlákna.

Břečka sekaných či přetržitých vláken z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanových vláken se promíchává v průřezu polotovaru, který se vyztužuje současným navíjením nepřetržitého keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno pro vytvoření kompozitu polotovaru keramického filtru. Vlákna se pak pojí impregnací pomocí sólu oxidu zirkoničitého, oxidu křemičitého nebo oxidu hlinitého. Sol se může stabilizovat v bodech dotyku vláken změnou úrovně pH za použití kapalného hydroxidu amonného nebo plynného obdobné sloučeniny. Polotovar keramických vláken se pak vysuší a vypálí při teplotě přibližně 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitního filtru z keramického vlákna. Je-li třeba, postup sol-gel se může opakovat pro další zpevnění polotovaru kompozitního filtru z keramických vláken.

amoniaku nebo j iné kompozitního filtru z

9 9 99 99 9999 ······ 9 ·

Dalším předmětem předloženého vynálezu je kompozitní filtr z keramických vláken, mající distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu filtru, vyrobený výše uvedeným způsobem.

Podle jednoho vytvoření se nepřetržité keramické vlákno navíjí na porézní vakuové vřeteno, přičemž břečka sekaných keramických vláken se zároveň nanáší na porézní vakuové vřeteno tak, že je nepřetržité keramické vlákno bezprostředně obklopeno přetržitými nebo sekanými keramickými vlákny. Alternativně může být porézní vakuové vřeteno částečně ponořeno v břečce sekaného keramického vlákna, přičemž nepřetržité keramické vlákno se navíjí na porézní vakuové vřeteno. Porézní vakuové vřeteno při svém otáčení v břečce přitahuje sekané keramické vlákno v břečce k nepřetržitému keramickému vláknu, nebo se břečka čerpá na porézní vakuové vřeteno.

Nepřetržité keramické vlákno může být komerčně dostupné vlákno z čistého oxidu hlinitého, jako například vlákno vyrobené Minnesota Mining and Manufactoring Company (3M), dodávané pod názvem NEXTEL^R610, nebo od Mitsui Mining Materiál Co., Ltd. ALMAX^R(99,5% nebo více Al₂O₃), nebo hlinito-křemičitá vlákna, jako například NEXTEL^R720, 550 nebo 440 od 3M. Sekané keramické vlákno je s výhodou sekané vlákno s vysokým obsahem oxidu hlinitého (napr. SAFFIL od Thermal Ceramics-96 % oxidu hlinitého, 4 % oxidu křemičitého), nebo jiná obdobná vlákna z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanová vlákna.

Výsledný kompozitní filtr z keramického vlákna podle předloženého vynálezu má zlepšenou pevnost, tuhost a teplotní odolnost, zachovává si přijatelnou propustnost, a je poměrně jednoduše vyrobitelný.

Dalším předmětem předloženého vynálezu je obecnější koncepce způsobu výroby kompozitní struktury z keramických vláken s distribuovaným nepřetržitým keramickým vláknem a sekanými keramickými vlákny v příčném řezu struktury, obsahující kroky obdobné krokům popsaným výše, jakož i kompozitní struktura vyrobená tímto způsobem. Výsledná kompozitní struktura z keramického vlákna může být použita pro výrobu izolačních panelů nebo tabulí typu ploché desky.

Různé znaky novosti, které charakterizují vynález, jsou vyjádřeny v připojených nárocích.

Pro lepší pochopení vynálezu, jeho provozních výhod a konkrétních výhod spojených s jeho použitím, slouží připojené výkresy a popis, ilustrující výhodná vytvoření vynálezu.

Přehled obrázků na výkresech

Na výkresech představuje:

Obr. 1 schematické znázornění prvního zařízení pro provádění způsobu výroby filtru podle vynálezu;

Obr. 2 schematické znázornění alternativního zařízení pro provádění způsobu výroby filtru podle vynálezu;

Obr. 3 grafické vynesení výsledků pevnosti v tlaku obloukového prstence jako napětí proti procentu deformace, pro dva vzorky filtrů, vyrobených podle vynálezu, ve

Β Β · Β Β · · « ·

BBBB ΒΒ ΒΒ ·· ·· «· srovnání se známým typem filtru;

Obr.	4	schematické	znázornění	bokorysu	pravé
strany obr.	2;
Obr.	5	schematické	znázornění	zařízení, obdobného

tomu znázorněnému na obr. 1, kdy způsob podle předloženého vynálezu se může použít pro výrobu mnohoúhelníkové kompozitní struktury z keramických vláken, která se pak může nařezat na podélné segmenty použitelné jako izolační panely;

Obr. 6 perspektivní schematické znázornění mnohoúhelníkové kompozitní struktury z keramických vláken vyrobené způsobem podle předloženého vynálezu, odebrané z porézního vřetena avšak před nařezáním na podélné segmenty; a

Obr. 7 perspektivní schematické znázornění mnohoúhelníkové kompozitní struktury z keramických vláken podle obr. 6 poté, co byla nařezána na podélné segmenty.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1, a také na ostatních výkresech, kde shodné nebo funkčně obdobné prvky jsou opatřeny týmiž vztahovými značkami, je znázorněno zařízení, celkově označené 10., pro výrobu kompozitního filtru pro čištění horkého plynu z keramických vláken podle vynálezu. Zařízení 10 má cívku 12 pro dodávání nepřetržitého keramického vlákna, která poskytuje zdroj nepřetržitého keramického vlákna 20. Nepřetržité keramické vlákno 20 prochází přes jeden nebo více napínacích válců 14 předtím, než se uloží na porézní vakuové vřeteno 16.

V prvním výhodném umístěno nad tankem 32, nebo sekaných keramických pomocí dutého hřídele (neznázorněno na obr.l, viz irovedení je vakuové vřeteno 16 obsahujícím suspenzi přetržitých vláken 30. Vřeteno 16 se otáčí 17 a hnacích prostředků 18. obr. 4) , a j e spoj eno s vývěvou nebo zdrojem vakua (také není znázorněn na obr. 1, viz obr. 4), pro vyvíjení/aplikování/vytváření vakua uvnitř vřetena

16. Pro usnadnění odejmutí hotového polotovaru 40 filtru z vřetena 16 může být před vytvářením polotovaru 40 nejprve na vřeteno 16 základní vrstva porézní gázy nebo obdobného materiálu. Tank 32 je postaven na váze 34 a může být opatřen míchadlem 36, protaženým do břečky 30 sekaných keramických vláken, pro stejnoměrné rozmíchání sekaných keramických vláken v břečce 30 obsažené v tanku 32.

Čerpadlo 38 tlačí břečku 30 z tanku 32 a tryska 3 9 orientovaná do blízkosti porézního vakuového vřetena 16 tryská břečku 30 na porézní vakuové vřeteno 16., přičemž se na ně navíjí spojité keramické vlákno 20.. Spojité keramické vlákno 20 se navíjí kolem vakuového vřetena 16., přičemž břečka 3 0 sekaných keramických vláken se ukládá na keramické vlákno 20 a vakuové vřeteno 16. vytvářejíce polotovar £0 kompozitního filtru z keramických vláken. Přebytek břečky 30 se vrací do tanku 32 k novému použití. Toto vytvoření je preferováno před vytvořením podle obr. 2, protože umožňuje přesnější kontrolu množství břečky 30 sekaných keramických vláken během jejich ukládání na porézní vakuové vřeteno 16.

V alternativním vytvoření zařízení 10 znázorněném na obr. 2 může být porézní vakuové vřeteno 16 částečně ponořeno v břečce 30 sekaných keramických vláken nacházející se ·····«· « · «««· ·· ·· «· «« ·« v tanku 32. Jak bylo naznačeno dříve, ačkoliv toto vytvoření není tak výhodné jako vytvoření podle obr. 1, eliminuje potřebu čerpadla 38, nicméně pro udržování stejné koncentrace sekaných keramických vláken v břečce 30 může být také v tomto případě použito míchadlo 36 . Břečka 30 sekaných keramických vláken spojitě a rovnoměrně pokrývá celou ponořenou část spojitého keramického vlákna 20., navíjeného na porézní vakuové vřeteno 16.

Obr. 3 je graf představující výsledky pevnosti v tlaku obloukového prstence, prováděné při pokojové teplotě na každém z filtrů vytvořených podle dvou níže uvedených příkladů, a filtru sestávajícího z monolitického kordieritu. Tlak v psi je znázorněn na ose y a procento deformace (palec/palec) je znázorněno na ose x. Z obr. 3 je bezprostředně zřejmé, že kompozitní filtr z keramických vláken vytvořený podle vynálezu (obr. 1 a 2) nejeví křehký lom, typický pro filtr podle dosavadního stavu techniky vyrobený z monolitického kordieritu. Místo toho filtry podle vynálezu jeví mnohem větší schopnost absorbovat významnou úroveň namáhání bez porušení. V případě filtrů vyrobených podle příkladu 2 je síla, která může být absorbována bez zlomení, také větší než u filtru z monolitického kordieritu.

Obr. 4 je schematické znázornění bokorysu pravé strany zařízení podle obr. 2, kde je porézní vakuové vřeteno částečně ponořeno v břečce 30. Zdroj 50 vakua, například vývěva, je připojen k dutému hřídeli 17., který otáčí porézním vakuovým vřetenem 16 prostřednictvím hnacích prostředků 18.. Vakuový zdroj či vývěva 50 vytváří uvnitř porézního vakuového vřetena 16 vakuum, které přitahuje břečku 30 sekaných keramických vláken k vřetenu 16. Polotovar 40 se tak tvoří důkladným promísením břečky 30 sekaných keramických vláken a nepřetržitého keramického vlákna 20 kolem porézního vakuového vřetena 16 . Je zřejmé, že způsob aplikace vakua na porézní vakuové vřeteno znázorněné na obr. 4 je obdobný jako v souvislosti se zařízením a způsobem podle obr. 1.

Jakmile z keramických dostatečnou kompozitního filtru vakuovém vřetenu 16, se polotovar 40 má polotovar 4 0 vláken, vytvořený na tloušťku, impregnuje kompozitního filtru keramických vláken oxidem zirkoničitým, oxidem křemičitým nebo oxidem hlinitým ve formě sólu. Přebytečný sol se odstraňuje vakuovým systémem přičemž zbývající sol se nachází zejména v bodech dotyku vláken. Polotovar se může sušit a vypalovat na vzduchu na teplotu přibližně 1100 °C (2012 °F) pro sintrování pojivá a zpevnění polotovaru 40 kompozitního filtru z keramických vláken pro použití.

Impregnovaný polotovar 40 může být alternativně stabilizován pro vytvoření gelového stavu v bodech dotyku vláken změnou úrovně pH sólu pomocí hydroxidu amonného nebo plynného amoniaku. Zgelovatěný polotovar 40 kompozitního filtru z keramických vláken se pak suší a vypaluje na vzduchu na teplotu přibližně 1100 (2012 ®F) pro přeměnu gelu na pojivovou fázi v bodech doteku vláken a tím se zpevňuje polotovar 40 kompozitního filtru z keramických vláken pro použití.

Materiály použité pro nepřetržité keramické vlákno 20 zahrnují vlákna z čistého oxidu hlinitého, jako například NEXTEL^R610 nebo ALMAX^R nebo jiná vlákna s oxidem hlinitým. Konkrétní použité nepřetržité vlákno závisí prostřední a teplotě při aplikaci. Pevnost polotovaru 40 keramického filtru může být dále zvýšena předchozím povlečením nepřetržitého keramického vlákna 20 uhlíkatým nereaktivním povlakem. Povlak zabraňuje nepřetržitému vláknu 20 reagovat s pojivém tvořeným oxidem sólu, a jen přetržitá sekaná keramická vlákna 30 obklopující nepřetržité keramické vlákno 20 gelovatí a spojuje se.

Břečka 30 sekaných keramických vláken může sestávat z vláken s vysokým obsahem oxidu hlinitého, jako je například SAFIL^R, nebo jiných vláken z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanových vláken. Délka sekaných keramických vláken může být různá, měla by však být poměrně krátká. Obsah sekaných keramických vláken může být řízen změnou rychlosti, s níž vřeteno 16 nabírá keramické vlákno 20 , nebo změnou koncentrace keramických vláken v břečce 3 0 . Břečka sama je vytvořena přidáním demineralizované vody k sekaným keramickým vláknům v množství dostatečném pro vytvoření zředěné (přibližně 0,1% hmotn. vláken vztaženo k vodě) suspenze.

Pro lepší jasnost jsou dále popsány dva příklady konstrukce kompozitního filtru 40 podle vynálezu.

Příklad 1

Keramický kompozitní filtr podle vynálezu byl vytvarován pomocí vakuového navíjecího zařízení podle obr. 1. Kompozitní filtr z keramických vláken byl vyroben navíjením vlákna ALMAX^R1000, 250 g/100 m (obchodní označení vláken z oxidu hlinitého, dostupných od Mitsui Mining Company) kolem porézního vakuového vřetena při současném směrování proudu břečky s 0,1 hmotn. procenta vlákna SAFIL^R (obchodní označení sekaných vláken z oxidu hlinitého, • · • · dostupného od Thermal Ceramics) na polotovar. Poměr nepřetržitého keramického vlákna (ALMAX^R) k sekaným keramickým vláknům (SAFIL^R) byl 1:1. Nepřetržité vlákno bylo navíjeno v úhlu 45 stupňů k ose polotovaru s odstupem 0,074 palce a navíjecím napětí 100 gramů. Sekané vlákno bylo mícháno v míchačce s velkou střižnou silou pro zkrácení délky vláken na 0,05 až 1 mm. Na porézní vřeteno bylo v průběhu navíjecí operace aplikováno vakuum 12 až 18 palců rtuťového sloupce.

Výsledný polotovar kompozitního filtru z keramických vláken byl impregnován sólem boehmitu. Poté byl polotovar kompozitního filtru z keramických vláken vysušen a vypálen při 593 °C (1100 F°) na vzduchu po dobu 2 hodin. Polotovar byl pak odejmut z vřetena a vypálen při 1150 °C (2102 °F) na vzduchu po dobu dvou hodin.

Příčný řez hotovým kompozitním filtrem z keramických vláken ukázal, že nepřetržité keramické vlákno bylo stejnoměrně rozděleno v přetržitých vláknech. Kompozitní filtr z keramického vlákna v tlaku obloukového prstence lomem. Kompozitní filtrační vykazoval průměrnou pevnost 825 psi bez porušení křehkým prvek z keramického vlákna vykazoval ztrátu tlaku 6 palců vodního sloupce při rychlosti 10 ft/minutu. Rychlost byla získána vydělením průtoku (ft³/min) plochou (ft²) filtračního prvku.

Příklad 2

Keramický kompozitní filtr podle vynálezu byl vytvarován pomocí vakuového navíjecího zařízení podle obr. 1. Kompozitní filtr z keramických vláken byl vyroben navíjením uhlíkem povlečeného vlákna z oxidu hlinitého

NEXTEL^r610, 1500 denier hlinitého, dostupných vakuového vřetene při s 0.1 hmotn. orocenta (obchodní označení vláken z oxidu od 3M Company) kolem porézního současném směrování proudu břečky vlákna SAFFIL^R (obchodní označení sekaných vláken z oxidu hlinitého, dostupného od Thermal Ceramics) na polotovar. Poměr nepřetržitého keramického vlákna (NEXTEL^R610) k sekaným keramickým vláknům (SAFIL™) byl 2:1. Nepřetržité vlákno bylo navíjeno v úhlu 45 stupňů k ose polotovaru s odstupem 0,074 palce a navíjecím napětí 100 gramů. Sekané vlákno bylo mícháno v míchačce s velkou střižnou silou pro zkrácení délky vláken na 0,05 až 1 mm. Na porézní vřeteno bylo v průběhu navíjecí operace aplikováno vakuum 12 až 18 palců rtufového sloupce.

Výsledný polotovar kompozitního filtru z keramických vláken byl saturován kyselinou fosforečnou. Přebytek kyseliny fosforečné byl vakuově odstraněn. Tento krok byl třikrát opakován pro minimalizaci zředění pojivového systému kyseliny fosforečné. Poté byl polotovar kompozitního filtru z keramických vláken vysušen a vypálen při 525 °C (977 F°) po dobu 2 hodin v dusíkové atmosféře. Po odstranění vřetena byl polotovar vypálen při 871 °C (1600 °F) po dobu dvou hodin v dusíku. Třetí tepelné zpracování při 871 °C (16 00 °F) bylo provedeno na vzduchu po dobu dvou hodin pro ukončení procesu.

Příčný řez hotovým kompozitním filtrem z keramických vláken ukázal, že nepřetržité keramické vlákno bylo stejnoměrně rozděleno v přetržitých vláknech SAFFIL. Kompozitní filtr z keramického vlákna vykazoval průměrnou pevnost v tlaku obloukového prstence 1752 psi bez porušení křehkým lomem. Tento kompozitní filtrační prvek z keramického vlákna vykazoval ztrátu tlaku 12 palců vodního • · »» · * «> « · 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 • 9 9 9 9 9 9 9 9 999 9·9

9 9 9 9 9 9 9 9 • 99 9 9 9 9 · 9 9 9 9 9 9 sloupce při rychlosti 10 ft/minutu. Rychlost byla získána vydělením průtoku (ft³/min) plochou (ft²) filtračního prvku.

Filtr podle vynálezu vykazuje zlepšenou pevnost a tuhost. Kromě toho jsou pro svou malou hustotu ve srovnání s jinými známými filtry lehké. Relativní množství nepřetržitých a přetržitých sekaných keramických vláken se snadno řídí změnami rychlosti rotace porézního vřetena, a/nebo změnami koncentrace břečky sekaných keramických vláken. Napětí nepřetržitého keramického vlákna se může měnit pro ovlivnění těsnosti, a tím hustoty, výsledného polotovaru. Odstupy nepřetržitého keramického vlákna se také mohou měnit pro řízení množství a distribuce těchto vláken. Tento jednoduchý proces umožňuje optimalizovat použití nepřetržitého keramického vlákna v tloušťce stěny kompozitního filtru z keramických vláken. To umožňuje snadné a ekonomické formování Četných různých konstrukcí filtru vytvořených podle vynálezu. Například, protože nepřetržité vlákno je dost nákladné, může se způsob podle předloženého vynálezu použít pro distribuci více nepřetržitých keramických vláken v určitých místech, a menšího množství nepřetržitých vláken v jiných místech. Tato místa mohou být vybrána na základě očekávané úrovně namáhání, kterému má být keramický filtr vystaven v provozu. V případě válcového tvaru filtru by to znamenalo uspořádání většího množství nepřetržitého keramického vlákna na povrchu vnitřní a vnější stěny nebo v jeho blízkosti, a menšího množství v blízkosti středu tloušťky stěny. Obdobné odchylky mohou být upraveny podél axiální délky filtru, popřípadě v kombinaci s výše uvedenými odchylkami v průřezu stěny.

Kromě toho, ačkoliv skutečná struktura materiálu,

Φ ·· který tvoří kompozitní keramický materiál, je keramika, je struktura dostatečně (přibližně ze 70 %) porézní, což umožňuje použití této struktury v jiných aplikacích. Například může být kompozit z keramických vláken válcového tvaru použit jako izolátor. Při výrobě kompozitu z keramického vlákna na vřetenu vhodné velikosti by se měl výsledný kompozit z keramického vlákna pro vytvoření izolační vrstvy nasunout přes vnější průměr trubky nebo roury. Jestliže je potrubí již umístěno a není možno nasunout na trubku nebo rouru takovouto strukturu z jednoho jejího konce, je poměrně jednoduchým řešením podélně rozříznout kompozitní strukturu z keramického vlákna pro vytvoření jednoho jednoho nebo více kusů, které mohou být umístěny na vnějším průměru trubky nebo roury a poté se mechanicky nebo jinak upevní na místě. Vzhledem k možnosti ztráty části materiálu při uvedeném pochodu podélného řezání, může být vřeteno vyrobeno s poněkud větším průměrem pro její kompenzaci.

Kromě toho, protože kompozitní struktura z keramického vlákna, vyrobená podle vynálezu, má izolační vlastnosti, může být požadováno vyrobit ploché desky nebo podobně pro umístění na plochý povrch stěny jako izolační panel, jak je znázorněno na obr. 5-7. Jak je znázorněno na obr. 5, místo použití válcovitého vřetena může být vřeteno opatřeno víceplošným či mnohoúhelníkovým vnějším povrchem. Pro minimalizaci nežádoucích vlivů, které mohou nastat v rozích takovéhoto vřetena, může být požadováno upravit alespoň hexagonální, nebo s jěště větším počtem stěn, vřeteno pro maximalizaci počtu rohů, a tedy pro minimalizaci stupně do jakého se nepřetržitá keramická vlákna musí ohýbat v těchto rozích. Nicméně, pokud tento rohový efekt není na závadu, může se použít mnohoúhelníkový tvar s méně stranami, včetně trojúhelníkového, čtvercového, obdélníkového, pětiúhelníkového atd. Dále, mnohoúhelníky nemusí být pravidelné (tj. nemusí mít všechny stěny stejné), a ve skutečnosti může být vřeteno opatřeno tvarem, který je kombinací zakřivených a rovných stran. Například je možné použít pro usnadnění výroby takovýchto tabulí typu rovné desky porézní vakuové vřeteno obdélníkového tvaru, případně opatřené zakulacenými rohy.

Obr. 5 ilustruje šestiúhelníkové porézní vřeteno použité pro výrobu šestiúhelníkové kompozitní struktury nebo polotovaru 50 . Tabule typu ploché desky mohou být vytvořeny z jednotlivých stěn nebo segmentů 52 kompozitní struktury z keramických vláken, které se z odřezávají po ukončení kroku vypalování. Tloušťka a délka těchto segmentů 52 je určena velikostí vřetena, na kterém se mnohoúhelníková kompozitní struktura 50 z keramického vlákna vyrábí.

Konkrétní vytvoření vynálezu byla popsána a znázorněna detailně pro ilustraci aplikace principů vynálezu, a je zřejmé, že vynález může být vytvořen jinak v rámci těchto principů.

Claims (32)

1. Způsob výroby kompozitního filtru z keramického vlákna s distribucí nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu filtru, zahrnující kroky, při kterých:

se uspořádá porézní vakuové vřeteno a aplikuje se na ně vakuum, na porézní vakuové vřeteno se navíjí nepřetržité keramické vlákno, přičemž se současně uvádí na porézní vakuové vřeteno zředěná břečka sekaného keramického vlákna, a nepřetržité keramické vlákno se jako jednotlivé vlákno současně navíjí pro vytvoření polotovaru kompozitního filtru z keramického vlákna, majícího distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu polotovaru, polotovar keramického kompozitního filtru se impregnuje keramickým pojivém, odstraní se přebytek keramického pojivá, a polotovar impregnovaného keramického kompozitního filtru se vysuší, a polotovar keramického kompozitního filtru se vypálí při teplotě 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitního filtru z keramického vlákna.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok současného uvádění zředěné břečky sekaného keramického »* »· 99 99

9 9 9 9 9 9 9

9 9 99 9 9 9

9 · · ♦ 9 9

9 99 9 9 9 9 9 vlákna na porézní vakuové vřeteno zahrnuje krok směrování proudu zředěné břečky sekaného keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno, přičemž nepřetržité keramické vlákno je jtčí/vjcfřiJe, vlákno navíjené na toto vřeteno.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok současného uvádění zředěné břečky sekaného keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno zahrnuje krok částečného ponoření porézního vakuového vřetena do nádrže obsahující zředěnou břečku sekaného keramického vlákna, přičemž nepřetržité keramické vlákno je jéí/nofÓYe vlákno

SÍ navíjené na porézní vakuové vřeteno.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že nepřetržité keramické vlákno sestává z keramického vlákna z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanového keramického vlákna.

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekané keramické vlákno ve zředěné břečce sekaného keramického vlákna sestává z keramických vláken z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanových keramických vláken.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující keramické pojivo zahrnuje sol některého zirkoničitého, hlinitého a křemičitého.

se tím, ze z oxidů

7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok použití hydroxidu amonného pro úpravu pH sólu a polotovaru keramického kompozitního filtru.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok povlékání nepřetržitého keramického • 0 · · 0 * · 0 0 0 00 * t ♦ 0 0 0« « 0 »0 f

0 0 0 0 000 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 « ·0·» ·· ·* ** ·· 00 vlákna uhlíkatým povlakem, který není reaktivní s keramickým pojivém, před impregnací polotovaru keramického kompozitního filtru keramickým pojivém.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že keramické pojivo zahrnuje fosforečnan monohlinitý a kyselinu fosforečnou.

10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje krok vypálení polotovaru keramického kompozitního filtru v dusíkové atmosféře.

11. Kompozitní filtr z keramického vlákna s distribucí nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu filtru, vyrobený způsobem zahrnujícím kroky, při kterých:

se uspořádá porézní vakuové vřeteno a aplikuje se na ně vakuum, na porézní vakuové vřeteno se navíjí nepřetržité keramické vlákno, přičemž se současně uvádí na porézní vakuové vřeteno zředěná břečka sekaného keramického vlákna, a nepřetržité keramické vlákno se jako jednotlivé vlákno současně navíjí pro vytvoření polotovaru kompozitního filtru z keramického vlákna, majícího distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu polotovaru, polotovar keramického kompozitního filtru se impregnuje keramickým pojivém, odstraní se přebytek keramického pojivá, a polotovar impregnovaného keramického kompozitního filtru se vysuší,

9* 99 99 99 99 99 * · 9 9 « 9< 9 9 99 9

9 9 9 99 99 9999 • 9 99 9 99 · 9 999 9 9 ·

9999999 9 9 • 999 ·· ·♦ ·9 99 99 a polotovar keramického kompozitního filtru se vypálí při teplotě 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitního filtru z keramického vlákna.

12 .

vlákna s a sekaných zahrnuj ící

Způsob výroby kompozitní struktury z keramického distribucí nepřetržitého keramického vlákna keramických vláken v průřezu struktury, kroky, při kterých:

se uspořádá ně vakuum, porézní vakuové vřeteno a aplikuje se na na porézní vakuové vřeteno se navíjí nepřetržité keramické vlákno, přičemž se současně uvádí na porézní vakuové vřeteno zředěná břečka sekaného keramického vlákna, a nepřetržité keramické vlákno se jako jednotlivé vlákno současně navíjí pro vytvoření kompozitního polotovaru z keramického vlákna, majícího distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu polotovaru, kompozitní polotovar z keramického vlákna se impregnuje keramickým pojivém, odstraní se přebytek keramického pojivá, a impregnovaný kompozitní polotovar z keramického vlákna se vysuší, a kompozitní polotovar z keramického vlákna se vypálí při teplotě 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitní struktury z keramického vlákna.

13. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že

ΦΦ ΦΦ φ φ φ φ φ φ ΦΦ

ΦΦ ΦΦ φ φ φ φ φ φ φ · ♦ ···» «· φ φ φ φ • · «φ φ

ΦΦ ΦΦ krok současného uvádění zředěné břečky sekaného keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno zahrnuje krok směrování proudu zředěné břečky sekaného keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno, přičemž nepřetržité keramické vlákno je ieAífGW vlákno navíjené na toto vřeteno.

14. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že krok současného uvádění zředěné břečky sekaného keramického vlákna na porézní vakuové vřeteno zahrnuje krok částečného ponoření porézního vakuového vřetena do nádrže obsahující zředěnou břečku sekaného keramického nepřetržité keramické vlákno je na porézní vakuové vřeteno.

vlákna, přičemž vlákno navíjené

15. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že nepřetržité keramické vlákno sestává z keramického vlákna z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanového keramického vlákna.

16. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že sekané keramické vlákno ve zředěné břečce sekaného keramického vlákna sestává z keramických vláken z oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanových keramických vláken.

17. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že keramické pojivo zahrnuje sol některého z oxidů zirkoničitého, hlinitého a křemičitého.

18. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok použití hydroxidu amonného pro úpravu pH sólu a polotovaru keramického kompozitního filtru.

19.

Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že

99 »· 99 99 99 99

9999 9··9 9999

999 9 9 ·9 9999

99 999 99 99 999 999

9999999 9 9 • 999 «9 9· 9· 99 »9 dále zahrnuje krok povlékání nepřetržitého keramického vlákna uhlíkatým povlakem, který není reaktivní s keramickým pojivém, před impregnací polotovaru keramického kompozitního filtru keramickým pojivém.

20. Způsob podle nároku 19, vyznačující se tím, ,že keramické pojivo zahrnuje fosforečnan monohlinitý a kyselinu fosforečnou.

21. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok vypálení kompozitního polotovaru z keramických vláken v dusíkové atmosféře.

22. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění rychlosti otáčení porézního vakuového vřetena pro řízení relativního množství nepřetržitých a sekaných keramických vláken v kompozitní keramické struktuře.

23. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění koncentrace sekaných keramických vláken ve zředěné břečce pro řízení relativního množství nepřetržitých a sekaných keramických vláken v kompozitní keramické struktuře.

24. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění napětí nepřetržitého keramického vlákna, kterým je jednotlivé vlákno navíjené na porézní vakuové vřeteno, pro ovlivnění těsnosti a hustoty kompozitní keramické struktury.

25. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění odstupu nepřetržitého keramického • 4 44 » 4 4 4 • 4 «

4 4

44 49

4 4 4 4

4 4 4 4

9 944 449 • 4

94 44 vlákna, kterým je jednotlivé vlákno navíjené na porézní vakuové vřeteno, pro řízení relativního množství nepřetržitých a sekaných keramických vláken v kompozitní keramické struktuře.

26. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění poměru nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu keramické kompozitní struktury pro přednostní distribuci většího nebo menšího množství nepřetržitého keramického vlákna v určitých místech.

27. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění poměru nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken napříč tloušťky stěny keramické kompozitní struktury.

28. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok měnění poměru nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken podél axiální délky keramické kompozitní struktury.

29. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje řezání kompozitní struktury z keramického vlákna na jeden nebo více kusů.

30. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že zahrnuje krok uspořádání porézního vakuového vřetena pro vytvoření keramické kompozitní struktury mnohoúhelníkového tvaru.

31. Způsob podle nároku 29, vyznačující se tím, že zahrnuje krok řezání keramické kompozitní struktury takto vytvořené na množství tabulí typu ploché desky.

** *» 99 99 99 99

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 99 9 9 9 9

9 9 999 99 99 99 9 999

9 9 9 9 9 9 9 9 9

9999 9.9 ·* -·· ·» ··

32. Kompozitní struktura z keramického vlákna s distribucí nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu filtru, vyrobená způsobem, zahrnujícím kroky, při kterých:

se uspořádá porézní vakuové vřeteno a aplikuje se na ně vakuum, na porézní vakuové vřeteno se navíjí nepřetržité keramické vlákno, přičemž se současně uvádí na porézní vakuové vřeteno zředěná břečka sekaného keramického vlákna, a nepřetržité keramické vlákno se jako jednotlivé vlákno současně navíjí pro vytvoření kompozitního polotovaru z keramického vlákna, majícího distribuci nepřetržitého keramického vlákna a sekaných keramických vláken v průřezu polotovaru, kompozitní polotovar z keramického vlákna se impregnuje keramickým pojivém, odstraní se přebytek keramického pojivá, a impregnovaný kompozitní polotovar z keramického vlákna se vysuší, a kompozitní polotovar z keramického vlákna se vypálí při teplotě 870 °C až 1150 °C (1598 °F až 2102 F°) pro vytvoření pojivové fáze v bodech dotyku vlákna a pro vytvoření kompozitní struktury z keramického vlákna.