-
Vorrichtung zur Gas trennung Die Erfindung befaßt sich mit einer
Vorrichtung zur Trennung von Wasserstoff mittels Diffusion durch palladiumhaltige
Filme, die auf einem keramischen Träger abgeschieden sind, wobei der keramische
Träger. aus einer Schichtstruktur mit einer Oberfläche feiner Porosität und einer
inneren Schicht grober Porosität zur Verbesserung der strukturellen Festigkeit des
Trägers unter Ermöglichung eines hohen Gasstroms durch den Träger besteht.
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtrennung eines Gases,
beispielsweise Wasserstoff, aus einem Gemisch von Gasen mittels Diffusion durch
eine nicht-poröse Membran, die auf Material aufgebaut ist, durch welches.das abzutrennende
Gas selektiv permeabel ist.
-
Eine Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff aus gasförmigen Gemischen
und zur Reinigung von Wasserstoff mittels Durchdringung durch dtinne nicht-poröse
Metallßperren aus Palladium oder Palladiumlegierungen ist bekannt. Es wurde eine
Vielzahl von Verfahren bisher entwickelt, um derartige
Trennungen
.herbeizuführen. Beispielsweise ist es bekannt, dünne Röhren aus wasserstoffdurchlässigem
Metall als Sperrmittel zu verwenden, wobei die wasserstoffhaltigen Gase mit einer
Seite derartiger Rohren in Berührung gebracht werden und reiner durchdiffundierter
Wasserstoff an der anderen Seite abgezogen wird. Als Alternativverfahren zu der
Verwendung von dünnen Metallröhren für die Diffusionstrennung von Wasserstoff wurden
Methoden entwickelt, bei denen dünne Bögen oder Folien aus Wasserstoffdurchlässigem
Metall verwendet wurden. Im allgemeinen sind Diffusionsvorrichtungen vom Folientyp
so aufgebaut, daß eine oder mehrere Folien auf einem porösen Träger gelagert sind
und rund um die peripheren Kanten der Folie abgeschlossen oder abgedichtet sind,
um eine gegen Undichtigkeit abgedichtete Struktur herbeizuführen.
-
In jüngster Zeit wurden als Ergebnis betrieblicher Schwierigkeiten,
die bei Verwendung von Diffusionsanlagen zur Wasserstoffabtrennung vom Röhren- oder
Folientyp angetroffen wurden, Diffusionsanlagen entwickelt, die einen keramischen
Träger für einen dünnen Diffusionsfilm anwenden, und wobei der Diffusionsfilm so
aufgebracht ist, daß der keramische Träger und die vollständige Diffusionsanordnung
nur isostatischem Druck unterworfen werden. Eine derartige Vorrichtung ist in der
USA-Patentschrift 3 344 586 beschrieben. Die neue Vorrichtung gemäß dieser Patentschrift
kann hohe Drucke aushalten, da keramische Materialien im allgemeinen kompressionsfest
sind und auf die Diffusionsanordnung lediglich isostatischer Druck tatsächlich ausgeübt
wird. Unter. Anwendung einer Diffusionsanlage gemäß der patentierten Ausführungsform
und unter Beseitigung irgendeiner Notwendigkeit zur Anwendung von Druck an den Rändern
der
keramischen Träger zur Abdichtung oder zu anderen Zwekken, werden Spannungskräfte,
die von ungleichem Zug herrühren, welche den keramischen Träger spalten oder zerreissen
würden, vollkommen beseitigt.
-
Gemäß den Lehren der angegebenen USA-Patentschrift stellen gleichmäßige
poröse keramische Elemente den Träger für einen dünnen metallischen Diffusionsfilm
dar. Ferner können gemäß der genannten Patentschrift die porösen keramischen Träger
mit hohlen Innenbereichen oder aderförmigen Kanälen versehen sein, um die Radialströmung
diffundierter Gase zu dem Auslaß der Diffusionsanlage für das reine Gas zu verbessern.
Bei der praktischen Durchführung erfordert die Anwendung eines gleichmäßigen porösen
keramischen Körpers notwendigerweise einen Kompromiß hinsichtlich der erwünschten
physikalischen Eigenschaften des Trägers. Ein hochporöser Körper, der die Diffusion
begünstigt, weist normalerweise eine rauhe Oberfläche auf, welche die Abscheidung
eines glatten gleichmäßigen Metallüberzugs schwierig macht.
-
Dagegen ist eine glatte und gleichmäßige Keramikoberfläche charakteristisch
für einen Körper mit herabgesetzter Porosität, der die Durchlässigkeit des keramischen
Körpers gegenüber diffundierenden Gasen. herabsetzt. Die Anwendung von hohlen oder
mit Kanälen versehenen keramischen Körpern bringt, obgleich die Geschwindigkeit
der hindurchgehenden Gasströmung gesteigert wird, eine innere strukturelle Schwäche
mit sich und die Möglichkeit der Verwerfung oder Verformung des keramischen Körpers
als Ergebnis ungleichmäßiger Spannungen in dem keramischen Material nach dem Brennen.
-
Die Erfindung stellt eine Verbesserung der Vorrichtung gemäß der USA-Patentschrift
3 344 586 dar und weist ale eine
ihrer Aufgaben die Schaffung einer
Vorrichtung des vorerwähnten Typs auf, worin poröse keramische Träger vorgesehen
sind, die eine hohe Radial- und Axialströmung ermöglichen und die ohne Einbuße an
Festigkeit erreicht werden können.
-
Gemäß der Erfindung werden keramische Träger für wasserstoffdurchlässige
Metallfilme oder -folien vorgesehen, die einen monolithischen Aufbau und eine Schichtstruktur
aufweisen, was zu der starken Strömung und Festigkeit des keramischen Materials
beiträgt und gute Oberflächeneigenschaften für den Träger des Diffusionsfilms sicherstellt.
Der hier verwendete Ausdruck "Schichtstruktur' bedeutet, daß die keramischen Träger
Kerne mit grober Porosität und Oberflächen mit feiner Porosität aufweisen, d.h.
deutliche aneinander haftende Schichten verschiedener Porosität, wobei jede Schicht
aus Keramikkörnern aufgebaut ist und die Körnigkeit der Körner in jeder Schicht
in verschiedenen Bereichen liegt.
-
Die Keramikträger sind monolithisch, indem jedes Element oder jede
Scheibe in einer einzigen Brennung hergestellt wird.
-
Fig. 1 ist eine Seitansicht im Schnitt einer beispielhaften Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionstrennvorrichtung.
-
a st. 2, 3 und 4 sind Draufsichten poröser Keramikelemente, die in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.
-
Die Fig. 2a, 2b, 2c, 3a und 4a sind Schnitte der in Draufsicht in
den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Elemente.
-
Wie aus Fig. 1 ersichtlich> weist die erfindungsgemäße Wasserstoffdiffusiontrennvorrichtung
im allgemeinen eine Kammer 10 mit einer darin abgestützten Gasdiffusionseinrichtung
11 auf. Unreines wasserstoffhaltiges Beschickungsgas tritt in die Kammer 10 durch
ein Einlaßrohr 12 ein, das durch die Bodenwand der Kammer 10 befestigt ist. Das
Abgas, aus dem Wasserstoff abgetrennt ist, fließt aus der Kammer 10 durch ein Auslaßrohr
13, das durch die obere Wand der Kammer befestigt ist.
-
Die Diffusionseinrichtung 11 ist ein fester Körper aus keramischem
Material, wobei ein großer Teil davon poröses keramisches Material ist und wobei
die äußeren Oberflächen des Anteils aus porösem keramischen Material der Einrichtung
11 mit einem dünnen Oberflächenüberzug aus nichtporösem wasserstoffdurchlässigen
Material, wie z.B. Palladium oder palladiumhaltige Legierungen, versehen ist. Die
keramische Diffusionseinrichtung 11 ist mit einem Auslaßrohr 14 für reines Gas verbunden,
wobei das Auslaßrohr durch die obere Wand der Kammer 10 befestigt ist.
-
Die Wände der Kammer 10, die Einlaß- und Auslaßrohre 12 und 13 und
die Auslaßleitung 14 für das reine Gas sind zweckmäßig aus rostfreiem Stahl hergestellt.
-
Die Diffusionseinrichtung 11 ist aus einem oder mehreren dünnen ebenen
Elementen 15 aus porösem keramischen Material gebildet, die durch einen keramischen
Flansch 16, z.B. in einer im einzelnen in der USA-Patentschrift 3 367 696 beschriebenen
Weise mit der Auslaßleitung 14 für das Eine Gas befestigt ist. Wie gezeigt, können
mehr als ein poröses keramischesElement 15 vorgesehen sein,
wobei
die Vielzahl der Elemente 15 in einem Stapel angeordnet ist und durch ein Abstandsglied
17 zwischen jedem benachbarten Paar von Elementen 15 im Abstand gehalten wird. Es
ist lediglich ein Paar von Elementen 15 mit einem dazwischen liegenden Abstandsglied
17 gezeigt, jedoch versteht es sich, daß irgendeine oinc gewünschte Anzahl von Elementen
15 und Abstandsgliedern 17 in dem Stapel vorliegen können.
-
Die Elemente 15 sind normalerweise kreisförmig, jedoch ist die spezielle
Gestalt nicht auf runde Scheiben beschränkt.
-
Beispielsweise können die Elemente quadratisch, rechteckig oder allgemein
polygonal sein, jedoch ist es erwünscht, daß die Diffusionselemente eine minimale
Anzahl scharfer Ecken aufwoeisen. In gleicher Weise ist die periphere Gestalt des
Abstandsgliedes 17 nicht kritisch'doch ist das Abstandsglied 17 so ausgebildet,
daß es einen geringeren Umfang als das Element 15 aufweist, so daß die äußeren Teile
des Elementes 15 sich außerhalb der Abstandsglieder 17 in der Art von Rippen unter
Herbeiführung großer äußerer Oberflächenbereiche erstrecken. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann das Abstandselement 17 mit Element 15 in einem Stück ausgebildet
sein, z.B. in Form einer aufgerichteten Lagerbüchse oder Nabe auf dem Element 15.
-
Das Element 15 und das Abstandsglied 17 weisen jeweils eine zentrale
Bohrung durch den Körper auf,und die Elemente und Abstandsglieder werden axial in
dem Stapel angeordnet, wobei ihre Bohrungen in einer Linie unter Bildung einer sxialen
Bohrung 18 innerhalb des Stapels ausgerichtet sind.
-
Am Boden des Stapels ist ein gasundurchlässiger Deckel 19 mit der
Unterseite des Bodenelementes 15 befestigt, um
das untere Ende der
Bohrung 18 abudecken und somit zu blockieren. Am oberen Ende des Stapels öffnet
sich die Bohrung 18 durch den Flansch 16 in die Auslaßleitung 14 für das reine Gas,
so daß die Leitung in Gasströmungsverbindung mit der Bohrung steht.
-
Die Membran, durch die Wasserstoff diffundiert, wird durch einen dünnen
Film 20 geliefert, der aus einem geeigneten gasdurchlässigen Material, z.B. Palladium
oder Palladiumlegierung,besteht, das auf die freiliegenden äußeren Oberflächen der
porösen keramischen Anteile der Diffusionseinrichtung 11 aufgebracht ist.
-
In der Praxis sind aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Herstellung
uni der Einrichtung die keramischen Elemente 15 gewöhnlich die einzigen Teile der
Diffusionseinrichtung 11, die aus porösem keramischen Material hergestellt sind,
und die anderen Teile, nämlich der keramische Flansch 16, die Abstandglieder 17
und der Deckel 19, sind normalerweise aus nicht-porösem keramischen Material hergestellt.
Selbstverständlich können jedoch die anderen keramischen Teile der Einrichtung 11
ebenso aus porösem keramischen Material hergestellt werden, das auf den äusseren
Oberflächen in geeigneter Weise mit einem wasserstoffdurchlässigen Film überzogen
ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Gemäß der Erfindung besteht das Element 15 aus einem monolithischen
festen geformten keramischen Stoff mit einem Kern 30 aus grob-porösem keramischen
Stoff, der zwischen Schichten 31 aus feinporösem keramischen Stoff, wie beispielsweise
in Fig. 2 und in dem Querschnitt der Fig. 2a, 2b und 2c gezeigt, sandwichartig angeordnet
ist. Die Soheibe
kann, wie in Fig. 1 gezeigt, mit getrennten Abstand
gliedern 17 verwendet werden, oder die Abstandsglieder können in einem Stück mit
der keramischen Scheibe ausgebildet sein, die dann die in Fig. 2b wiedergegebene
Gestalt annimmt. Auch kann, wie in Fig. 2c gezeigt, die feinporöse keramische Schicht
31 sich um den gesamten Umfang der Scheibe 15 erstrecken, wie beispielsweise durch
den Rand 32 gezeigt ist. Eine derartige Ausführungsform wird besonders bevorzugt,
da die grobporöse keramische Schicht 30 dann vollständig durch eine Schicht aus
feinporösem keramischen Stoff eingeschlossen ist, ausgenommen am Ausgang zur zentralen
Öffnung 18, aus der reiner Wasserstoff abgezogen wird, und erleichtert die Ablagerung
einer gleichmäßigen porenfreien Diffusionsmembran auf sämtlichen Oberflächen der
Scheibe 15.
-
In den Fig. 3 und 3a wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung
erläutert, wobei eine dichte nicht-poröse keramische Schicht 40 auf der Oberfläche
der Scheibe 15 und angrenzend an die zentrale Öffnung 18 vorgesehen ist. Die dichte
nicht-poröse keramische Schicht, die vorgeformt und monolithisch zusammen mit anderen
keramischen Teilen des Elementes 15 gebrannt ist, dient einem zweifachen Zweck.
-
Es wurde gefunden, daß gleichmäßige und porenfreie metallische Diffusionsschichten
schwierig in porenfreier Form an scharfen Kanten und Ecken der in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendeten keramischen Träger herzustellen sind. Die Verwendung von
nicht-porösen dichten keramischen Einfügungen an den Kanten der porösen Keramikstoffe
bes eitigt somit die Notwendigkeit vollkommener Diffusionsüberzüge, die lediglich
H2 durchlassen und legt die Grenzen des Diffusionsüberzugs auf eine planare Oberfläche
fest.
-
Außerdem erleichtert das nicht-poröse dichte keramische Material,
das seine nicht-porösen Eigenschaften hohem Glasur
gehalt verdankt,
die Abdichtung der keramischen Scheiben aufeinander und gegenüber den Abstandsgliedern
(falls diese vorgesehen sind) unter Bildung einer dichten Bohrung in der Vorrichtung
zum Abziehen von reinem diffundierten Wasserstoff.
-
Unter Beachtung des vorstehend Erwünschten ist in den Fig. 4 und 4a
eine weitere Ausführungsform einer Scheibe 15 gemäß der Erfindung wiedergegeben.
In dieser AusfUhrungsform ist eine dichte nicht-poröse keramische Schicht angrenzend
an die Bohrung 18 vorgesehen'und der Rand 41 des Elementes 15 ist gleichfalls aus
dichtem nicht-porösen keramischen Material hergestellt. Auf diese Weise ist es nicht
nötig, dünne Palladiumüberzüge an den Ecken der Scheibe vorzusehen oder, wenn sie
wegen der Einfachheit der Herstellung vorgesehen werden, besteht nicht die Notwendigkeit
der absoluten Porenfreiheit.
-
Ferner liefert die Ausbildung eines dichten keramischen Randes auf
dem Element 15 einen weiteren Vorteil, wie sich aus Fig. 4 ergibt, worin Gasdurchgänge
42 in dem dichten keramischen Rand 41 vorgesehen sind. Es wird anerkannt werden,
daß eines der Probleme bei der Trennung von Wasserstoff durch ein Verfahren, das
diffusionsgeregelt ist, darin besteht, einen Gasstrom quer durch die Durchdringungsoberfläche
herzustellen. Unter Anwendung eines relativ dicht schließenden Behälters für die
Diffusionseinrichtung und durch Einarbeitung von Gasdurchgängen in die nichtporösen
Teile der Scheibe 15 und Änderung der Stellung derartiger Durchgänge von Scheibe
zu Scheibe in der gesamten Anlage wird die Strömung aus unreinem Gas rasch quer
durch die Diffusionsflächen gerichtet und dadurch die Gesamtleistung der Vorrichtung
wesentlich verbessert. Nichtporöse Abschnitte können natürlich in irgendeinen Teil
des
:Elementes 15 eingearbeitet werden, um derartige GaBdurchgänge
an anderen Stellen als dem Rand des Elementes 15 herzustellen.
-
Das keramische Material des Körpers der Diffusionseinrichtung 11 weist
im allgemeinen 50 bis 90 Gew.-% Alkalialuminiumsilicate, 10 bis 50 % Ton und O bis
10 % Siliciumdioxyd auf. Es wurde gefunden, daß der Gehalt an freiem Siliciumdioxyd
nicht 10 Gew.-% des keramischen Gemischs überschreiten soll, um einen gebrannten
Keramikkörper niedriger Wärmeausdehnung und guter Stoßfestigkeit herzustellen. Um
die Festigkeit des fertigen porösen Körpers zu steigern und die Brenntemperatur,
die den gebrannten keramischen Körper weniger leicht in Staub überführt, wenn er
geringfügig unterfeuert ist, zu verbreitern, wird zu dem keramischen Material eine
keramische Glasur zugefügt. Die Menge an Glasurmittel variiert zwischen etwa 2 bis
50 ,je nach der gewünschten Porosität des gebrannten Keramikmaterials. Die Verwendung
von Glasuren in der Keramik hat den weiteren Vorteil, daß eine engere Anpassung
der Wärmeausdehnung und Brennschrumpfung von nicht-porösen und porösen keramischen
Materialien, die bei der Herstellung der Diffusionsvorrichtung verwendet werden,
möglich ist.
-
Verschiedene übliche keramische Hochtemperaturglasuren können für
diesen Zweck verwendet werden. Zufriedenstellende Glasuren bestehen im allgemeinen
aus Gemischen von Aluminiumoxyd und Siliciumdioxyd, die verschiedene andere oxydische
Komponenten aufweisen, zu denen beispielsweise Boroxyd, Oalciumoxyd, Strontiumoxyd
und dgl. gehören, die in die Glasur eingearbeitet werden, um spezifische Wärmeausdehnungs-
und Erweichungseigenschaften zu ergeben. Unter
den im Handel erhältlichen
Glasuren, die sich für die vorstehend erwähnten Zwecke als zweckmäßig erwiesen,
befinden sich Pemco P-1701, Corning 7056 und Ferro 3292.
-
Die nominale Oxydzusammensetzung der im Handel erhältlichen Glasuren,
die sich als geignet erwiesen, ist in der folgenden Tabelle aufgeführt: Gewichtsteile
Bestandteile als Glasur A Glasur B Glasur C Oxyde (1) (2) (3) Al2O3 13,6 5,5 15,7
SiO 44,9 70,6 51,3 B203 35,4 45,1 29,0 K20 3,5 19,3 7,5 Na20 2,7 1,4 4,0 CaO 9,5
0,4 36,4 SrO 17,7 0,7 43,8 127,3 143,0 187,7 Die Porosität der porösen Keramikmaterialien
wird durch Zugabe variierender Mengen an Füllstoffmaterialien geregelt, die während
des Brennvorgangs durch Verbrennen entfernt werden, z.B. Holzpulver, feinzerteilte
Kunststoffe, Kohlepulver und dergleichen. Bei der Herstellung von Strukturen mit
feiner Porosität werden 25 bis 45 Gew.-% Füllstoff, z.B. Kohlepulver, und 75 bis
55 % feinteiliges Keramikpulver (keramischer Stoff + Glasur) verwendet, während
zur Herstellung grober Porosität 40 bis 85 % Kohlepulver verwendet werden. Brennbarer
Füllstoff, wie z.B. Kohlepulver, wird zu den Keramikgemischen auch zugegeben, um
praktisch undurchlässige und dichte Keramikmaterialien zu erzeugen,
um
die Schrumpfung des dichten keramischen Materials.auf die des porösen keramischen
Materials, mit dem es in gontakt gebrannt wird, einzustellen. Bei der Herstellung
der keramischen Scheiben oder Elemente, die in der Vorrichtung der Erfindung verwendet
werden, können die speziellen Bestandteile und deren Prozentgehalte in dem Gemisch
zu gewissem Ausmaß variiert werden und erzeugen noch thermische und strukturelle
Eigenschaften, die zur Herstellung eines keramischen Trägers für eine darauf aufgebrachte
nicht-poröse wasserstoffdurahlässige Membran geeignet ist. In der Praxis erwies
sich Nephelinsyenit als besonders geeignetes Alkalialuminiumsilicat, und die Tonkomponente
besteht vorzugsweise aus einem Gemisch aus Kaolin, der wegen seiner Reinheit zugegeben
wird, und Ballenton, der Plastizität und eine starke Bindungsfähigkeit liefert.
Bei der Herstellung der keramischen Teile des keramischen Körpers werden Silicat,
Ton und Kohlenstoff zusammen mit den übrigen Mengen an Glasurstoffen gründlich vermischt,
und dann werden Glycerin oder Wasser vermischt mit einem Binder, wie beispielsweise
Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Acrylharz oder Polyäthylenglykol, beispielsweise
in die trockenen Materialien eingemischt und unter Bildung eines Vorläufer-Pulvers,
das zur Formung zu der gewünschten Gestalt geeignet ist, getrocknet. Eine Emulsion
aus mikrokristallinem Wachs erwies sich auch als guter Binder und gutes Schmiermittel.
-
Bei der Formung der zusammengesetzten porösen Elemente mit deutlichen
Schichten verschiedener Porosität wird zunächst eine erste Schicht des zusammengesetzten
keramischen Vorldufer-Materials in einer Form abgelagert. Diese erste Schicht, die
eine feine Porosität aufweisen muß, ist im allgemeinen auf eine Korngröße von 0,7
bis 0,1 mm (25 bis 140 mesh), vorzugsweise 0,58 bis 0,18 mm (28 bis 80 mesh)
granuliert,
d.h., das Vorläufer-Pulver geht durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von
0,7 mm (25 mesh) (American Standard Sieve Size) und wird auf einem Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,1 mm (140 mesh) zurUckgehalten. Danach wird eine Zwischenschicht
aus grobem keramischen Vorläufer-Material mit einer Körnung von beispielsweise 1,0
bis 0,5 mm (18 bis 35 mesh) und vorzugsweise 0,84 bis 0,58 (20 bis 28 mesh), wobei
100 % das Sieb mit lichter Maschenweite von 1,0 mm (18 mesh) passieren und 100 «jo
auf dem Sieb mit lichter Maschenweite von 0,5 mm (35 mesh) zurückgehalten werden,
in die Form gebracht und mit einer dritten Schicht aus feinporösem keramischen Material
aufgefüllt. Die abgelagerten Schichten werden unter einem Druck von 70 bis 700 atü
(1000 bis 10 000 psig), vorzugsweise 280 atü (4000 psig) verdichtet und dann gebrannt,
bevorzugt auf Kegel 1. Im allgemeinen fehlt dem porösen keramischen Material die
Festigkeit, wenn es auf Kegel Ol gebrannt wird, und wenn es auf Kegel 2 gebrannt
wird, ist es weniger porös und die Gasströmung wird herabgesetzt.
-
Natürlich hängt die spezielle Brenntemperatur von der Zusammensetzung
der verwendeten speziellen keramischen Masse ab, jedoch wurde festgestellt, daß
geringfügige Unterfeuerung, d.h. kein Brennen auf maximale Dichte, einen wirksameren
Ausgleich der gewünschten Porosität und Festigkeitseigenschaften herbeiführt.
-
Wenn die Einarbeitung von Bereichen aus dichteninicht-porösen keramischen
Material in die Scheibe erwünscht ist, wie oben angegeben, wurde festgestellt, daß
die Anwendung von grünen "Vorformen" Gleichmäßigkeit und genaue Anpassung der nicht-porösen
Abschnitte der Scheibe sicherstellen.
-
Grüne Vorformen weisen verdichtete nicht-gebrannte Ringe oder Abschnitte
aus keramischem Vorläufer-Pulver auf, die einen hohen Glasurgehalt besitzen und
so angesetzt sind, daß sie nach dem Brennen nicht porös sind, sie besitzen jedoch
Schrumpfeigenschaften nach dem Brennen, die mit den bei der Herstellung der porösen
keramischen Scheiben verwendeten porösen keramischen Vorläufer-Pulvern verträglich
sind. Derartige Vorformen können jede beliebige Gestalt aufweisen und wurden,wie
vorstehend erläutert, in Form von Ringen verwendet.
-
Spezifische Einzelheiten der Herstellung und der Anwendung von wasserstoffdurchlässigen
Metallfilmen auf die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten keramischen
Elemente, brauchen nicht weiter erörtert zu werden, da diese Angaben in der USA-Patentschrift
3 344 586 und der USA-Patentanmeldung 465 999 enthalten sind. Letztere Anmeldung
beschreibt besonders wirksame Palladiumfilme auf porösem keramischen Material unter
Anwendung einer Aufschlämmung aus pulverförmigem Palladium und pulverförmigem Glasurmaterial
in Wasser, das anschließend unter Bildung eines glasierten Überzugs gebrannt wird,
wobei Palladiumteilchen über den gesamten Überzug dispergiert sind.
-
In gleicher Weise ist das Verfahren zum Einbau keramischer Elemente
oder Scheiben in eine Diffusionsanordnung in der USA-Patentschrift 3 344 586 beschrieben.
-
In den folgenden Beispielen wurden die folgenden Ansätze zur Herstellung
von zusammengesetzten Scheiben gemäß der Erfindung verwendet.
-
1. "Keramikkörper": 55 % Nephelinsyenit 15 ffi Ballenton 25 % Kaolin
5 % Siliciumdioxyd 2. "Feines keramisches Vorläufer-Pulver": Gemisch aus 63,3 Gew.-%
des obigen Keramikkörpers (1), 1,7 % Pemco 1701-Glasur mit einer Korngröße entsprechend
einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) und 35 Gew.- Ruß, wobei nach
dem Vermischen eine Korngröße von 0,58 bis 0,18 (28 bis 80 mesh) vorlag.
-
3. Grobes keramisches Vorläufer-Pulver": Gemisch aus 75 Gew.-% Ruß,
24,4 % keramischem Körper (1) und 0,6 % Pemco 1701-Glasur mit einer Korngröße entsprechend
einer lichten Maschenweite von 0,44 mm (325 mesh), wobei auf eine Korngröße von
0,84 bis 0,58 mm (20 bis 28 mesh) granuliert wurde.
-
4. "Dichtes keramisches Vorläufer-Pulver": Gemisch aus 12,5 % Glasur
(Pemco 1701) mit einer Korngröße entsprechend einem Siebdurchgang mit 0,04 mm lichter
Maschenweite (325 mesh), 71,0 % des obigen keramischen Körpers (1) und 16,5 % Ruß,
wobei das Gemisch auf eine Korngröße von 0,58 bis 0,18 mm (28 bis 80 mesh) granuliert
wurde.
-
Jedes der in den folgenden Beispielen verwendeten Pulver wurde mit
einer Wasseremulsion aus mikrokristallinem Wachs vermischt, die etwa 50 % Wachs
(Moibilcer-R) in einer Menge zur Herbeiführung von etwa 12 Gew.- Wachs zu Pulver,
bezogen auf Trockenbasis, enthielt. Die Pulver wurden bei 93 s (2000F) zur Entfernung
von Wasser vor der Verwendung getrocknet.
-
Beispiel 1 Eine poröse keramische Scheibe von etwa 3,2 mm (1/8 inch)
Stärke wurde wie folgt hergestellt: In eine Form «etwa 100 mm Durchmesser (4")2
mit einem zentralen Stift £\3 mm (0,5") DurchmesserS wurden Schichten gebildet,
die wie folgt aufgebaut waren: 1. Eine dünne Bodenschicht von etwa 508 /u (20 mils)
Stärke aus feinem keramischen Vorläufer-Pulver (2) und Rinder.
-
2. Eine dickere Mittelschicht von etwa 2540 /u (100 mils) Stärke aus
grobem keramischen Vorläufer-Pulver (3) und Binder.
-
3. Eine dünne Uberzugsschicht von etwa 508 /u (20 mils) Stärke aus
feinem keramischen Vorläufer-Pulver (2) und Binder.
-
Die zusammengesetzten Schichten wurden dann in der Form bei einem
Druck von 280 atü (4000 psig) verdichtet, wobei das einheitliche Element aus der
Form entfernt und auf Kegel 1 gebrannt wurde.
-
Es wurde festgestellt, daß die erhaltene Scheibe von 3,2 mm (1/8")
Stärke und etwa 86,4 mm (3,4 ") Durchmesser eine Axialströmung an Stickstoff von
9 l/min/6,4 cm2 (9 l/min/ square inch) bei Raumtemperatur und 1,05 atü (15 psig)
Druck ermöglichte. Die Radialströmung der Scheibe lag bei etwa 40 1/min.
-
Beispiel 2 Eine poröse geschichtete keramische Scheibe mit der Konfiguration
nach Fig. 2b wurde unter Anwendung des Verfahrens nach Beispiel 1 mit der 'Ausnahme
hergestellt, daß eine
obere Schicht aus feinporösem keramischen
Vorläufer-Material (2) zur Erzielung einer aufrechten Nabe von etwa 760 /u (30 mils)
aufgebracht wurde. Diese monolithische aufrechte Nabe wurde hergestellt, indem eine
Ausnehmung in den Stempel der Form eingearbeitet wurde Die poröse keramische Scheibe
wurde mit einem dünnen Pd-Glasurfilm gemäß der USA-Patentanmeldung 3 344 586 überzogen.
Die berzogene Keramikscheibe wurde mit einer Metallleitung und einem Flansch, wie
in der genannten Patentschrift beschrieben, zusammengebaut und hielt bei 500 oC
einen Druckunterschied von 21,1 atü (300 psig) N2 aus. Die überzogene Scheibe ließ
unter einem Wasserstoffdruck von 1,05 kg/cm2 bei aufströmendem Durchgang und Atmosphärendruck
bei abströmendem Durchgang 4 1/min an reinem Wasserstoff durch.
-
Beispiel 3 Eine geschichtete Keramikscheibe wurde wie folgt hergestellt:
In eine Form von 100 ml (4 inch) Durchmesser mit einem Zentralstift von 13 mm (0,5
inch) Durchmesser wurde ein grüner "Vorform"-Ring aus dichtem keramischen Vorläufer-Pulver
(4) eingebracht. Der Ring wurde hergestellt, indem das Vorläufe Pulver bei 70 atü
(1000 psig) verdichtet wurde, wobei ein Ring von 760 zu(30 mils) Stärke und 25,4
mm- (1 inch) Durchmesser mit einem zentralen Loch von 13 mm (0,5 inch) Durchmesser,
das auf den Zentral stift der Form paßte, erhalten wurde.
-
Nach Anordnung der grünen Vorform wurde eine Grund- oder Bodenschicht
von etwa 760 /u (30 mils) feinem keramischen Vorläufer-Pulver (2) in die Form gebracht,
und dann wurde eine Mittelschicht von etwa 2540 /u (100 mils) aus grobem
keramischen
Vorläufer-Pulver zugefügt. In diesem Fall wurde jedoch das grobe Pulver lediglich
im Zentrum des Formhohlraums unter Erstreckung auf etwa 6,3 mm (1/4 inch) des Randes
angeordnet, wobei ein ringförmiger Raum verblieb, der mit feinporösem keramischen
Vorläufer-Pulver (2) gefüllt wurde.
-
Schließlich wurde ein zweiter grüner "Vorform"-Ring aus dichtem keramischen
Vorläufer-Pulver über den Zentralstift eingepaßt, und eine obere Schicht aus feinporösem
keramischen Vorläufer-Pulver von etwa 760 /u (30 mils) Stärke wurde in die Form
eingebracht und der Inhalt bei 280 atü (4000 psig) verdichtet. Nachfolgendes Brennen
auf Kegel 1 erzeugte eine Keramikscheibe der in Fig. 3a gezeigten Konfiguration
mit der Ausnahme, daß der gesamte Rand der keramischen Scheibe feinporös war.
-
Bei Raumtemperatur wies die Scheibe eine Axialströmung von 9 l/min/6,4
cm2 (9 l/min/square inch) unter Anwendung von Stickstoff bei 1,05 atü (15 psig)
auf. Die Radialströmung der Scheibe lag bei etwa 40 1/min.
-
Die Scheibe wurde mit einem Pd-Glasurfilm wie in Beispiel 2 überzogen,
und sie ließ bei Prüfung bei 500 t und einem Druckunterschied von 1,05 kg/cm2 (15
psi) 4 1/min an reinem Wasserstoff durch. Es wurde auch festgestellt, daß die keramische
Scheibe einen Druckunterschied von 42,2 atü (600 psig) N2 bei Raumtemperatur vor
und nach dem überziehen der Scheibe mit einem Pd-Glasurfilm aushielt. Die nicht-Uberzogene
Scheibe wurde so geprüft, indem sie in einer Eunststoffhülle abgedichtet wurde.
-
Die Ergebnisse zeigen, daß durch die monolithische schichtförmige
Ausbildung das Ziel hoher keramischer Festigkeit
ohne irgendeinen
Kompromiß hinsichtlich der Radialströmung erreicht wird, da die erhaltenen Wasserstoffströmungen
denen gleich sind oder über die hinausgehen, die unter den gleichen Bedingungen
mit mit Hohlräumen versehenen Scheiben erhalten werden.
-
Es ist klar, daß das Verfahren nach Beispiel 3 in einfacher Weise
zur Erzeugung von-Keramikscheiben der in Fig. 4 wiedergegebenen Konfiguration angepaßt
werden kann. Beispielsweise kann anstelle der Herstellung eines Randes aus feinporösem
Vorläufer-Pulver für die Scheibe ein Rand aus dichtem keramischen Vorläufer-Pulver
(4) verwendet werden, um einen Randabschnitt der Scheibe herzustellen, der gegenüber
Gasströmung undurchlässig ist. Andererseits kann ein derartiger Rand auch als eine
grüne Vorform hergestellt werden und in die Form vor der Zugabe der feinen und groben
keramischen Vorläufer-Pulver eingebracht werden. Falls erwünscht, z.B.
-
zur Herstellung einer Scheibe mit Gasrichtungsdurchgängen, wie in
Fig. 4 gezeigt, können entfernbare Stifte in den dichten keramischen Abschnitt der
Form eingeführt werden, um nach dem Brennen Gasdurchgänge zu liefern, die zur Verteilung
des unreinen Gases über die Diffusionsflächen der Diffus ions einrichtung beitragen.
Diese und andere Modifikationen liegen im Rahmen der Erfindung.