WO2011023371A2 - Verfahren zur pottung keramischer kapillarmembranen - Google Patents

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WO2011023371A2
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Steffen Schirrmeister
Bernd Langanke
Thomas Schiestel
Björn HOTING
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Uhde Gmbh
Borsig Process Heat Exchanger Gmbh
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Definitions

  • the present invention is a method for producing the claimed module elements These module elements are suitable excellent for the enrichment of oxygen from oxygen-containing fluids or for the implementation of oxidation reactions
  • Typical examples of systems listed in the literature as oxygen-conducting materials or classes of materials are La 1 -x (Ca, Sr, Ba) x Co 1-y Fe yO 3 - ⁇ , Ba (Sr) Co 1 -XFeXO 3 -O, Sr (Ba ) Ti (Zr) 1-xy, COyFe x O 3- 5, 5 , La 015 Sr 0 5 MnO 3 . ö, LaFe (Ni) O 3 0, 0 9 La Sr 0 1 FeO 3 -Q or BaCOxF ⁇ yZrLx.yOs. 0 (A. Thursfield et al, Journal of Material Science 2004, 14, 275-285; Y.
  • ceramic capillary membrane is understood in the context of this invention dense membranes, in which the amount of gas which in a
  • Capillary membrane preferably has an outer cross-sectional area of 0.5 to 5 mm.
  • the through opening of the metallic or ceramic bottom is designed as a bore or punched hole.
  • bell-shaped extension on or is designed as a sunken cone is designed as a sunken cone.
  • the at least one metallic or ceramic bottom preferably has a thickness of 5 mm and is at least one
  • the high-temperature-stable base body advantageously comprises two metallic or ceramic bases, of which at least one is mounted in a floating manner.
  • both metallic or ceramic floors may be mounted on one side of the module element.
  • Triangular division of metallic or ceramic floor possible. In a square arrangement of the through openings to each other this can be done in a manner that the angle of attack is 45 ° or 90 °. For a triangular division, 30 ° or 60 ° flows are conceivable. Of the
  • the optimum maximum fiber number z can now be calculated according to the equation above.
  • such a calculation is intended in
  • the high-temperature stable basic body preferably comprises two metallic or ceramic bases.
  • the two metallic or ceramic bases of the high-temperature-stable one are
  • both metallic or ceramic bottom are mounted on one side of the module element
  • the at least one metallic or ceramic bottom of the high-temperature stable Grundkorpers is floating
  • Ceramics, glass-ceramics and metallic alloys containing the high-temperature stable metallic alloy is preferably based on a N ⁇ -Bas ⁇ s
  • the high-temperature stable base body has at least one metallic capillary, which is introduced into the at least one through opening of the at least one metallic or ceramic bottom, wherein the at least one as sufficiently gas-tight and high-temperature stable connection between the metallic or ceramic bottom and the at least one metallic capillary trained Pottung consists of an alloy, wherein the at least one metallic capillary accommodates the at least one ceramic capillary membrane and wherein the at least one metallic capillary at least one end an extension for receiving a sufficiently gas-tight and high-temperature stable connection which is a glass-ceramic.
  • the at least one as sufficiently gas-tight and high-temperature stable connection between the metallic or ceramic bottom and the at least one ceramic
  • a glass ceramic with the following composition is preferred: 26% by weight BaO, 54% by weight SiO 2 , 1% by weight B 2 O 3 , 1% by weight ZrO 2 , 1% by weight La 2 O 3 and 17% by weight ZnO used.
  • Particularly preferred is a composition of the glass-ceramic, the 36.25 wt.% BaO, 44.25 wt.% SiO 2 , 5.0 wt.% B 2 O 3 , 2.0 wt.% ZrO 2 , 2.0 wt .% La 2 O 3 , 2.0 wt.% BaF 2, 7.5 wt.% Al 2 O 3 and 1, 0 wt.% MgO contains used.
  • the at least one ceramic capillary membrane is formed from an oxide ceramic and this preferably has a perovskite structure, a Brownmillerit Cook, a Aurivillius Prof or a Composist Cook on.
  • composite structure is understood to mean a ceramic capillary membrane to which a coating has been applied. Different ceramic and non-ceramic materials can be combined with each other.
  • FIG. 1 An exemplary measurement of the thermal expansion coefficients according to a method known in the art is shown in FIG. 1
  • graph a represents the ceramic capillary membrane to which the thermal expansion coefficient of the other materials to be adjusted. This is here between 14 * 10 '6 K ' 1 and 15 * 10 6 K ' 1 .
  • graph b represents the high temperature stable body and graph c represents the thermal expansion coefficient versus the temperature of sufficiently gastight and high-temperature stable connection.
  • the ceramic capillary membrane used consisted of the material BaCoo, 4oFeo, 48Zro, i2 ⁇ 3 .8.
  • the basic body consisted of the material 2.4633
  • Capillary membrane are.
  • the term "sufficiently chemically inert” is understood to mean the reversible process of the structural change of the membrane.
  • the corresponding method for producing a module element according to the invention comprises the following steps
  • the individual Anlagen ⁇ tte for producing the high-temperature stable Grundkorpers be reversed in a suitable order and / or repeated
  • the sintering takes place at various suitable locations of the process for producing the high temperature-stable Grundkorpers means that the ceramic Kapillarmembran both can be used in sintered as well as green state, which also applies to the metallic or ceramic soil
  • the thermal pre-oxidation in the production of high-temperature-stable Grundkorpers for 36 to 60 hours carried out at 800 0 C to 1000 0 C in an air atmosphere
  • the ceramic capillary membranes are individually provided under rotation with at least one plug of casting slip in another
  • the ceramic capillary membranes are placed in a mold and provided with at least one plug of casting slurry
  • the plug from Casting hooks may be cast or sprayed and then threaded onto the ceramic capillary membranes.
  • the pouring hook is poured into the at least one extension of the through opening of the at least one metallic or ceramic bottom and then pierced.
  • 10-80 mg Preferably 45 to 55 mg of G confuseschhckers applied to the intended contact point between the ceramic capillary membrane, sufficiently gas-tight and high-temperature stable compound and the metallic or ceramic soil
  • the method can be designed so that they are sintered standing or lying to produce the high-temperature stable Grundkorper the sintering is advantageously carried out in a controlled argon atmosphere with 0.05 to 0.2% oxygen by means of a defined Increase in temperature and temperature drop of in a range from room temperature to the sintering temperature of the G confuseschhckers, which is below the melting temperature of the ceramic capillary membrane, and the heating rate thereby in a range of 0.5 - 2 K / mm hegt there is preferably the sintering temperature between 95O 0 C and 1100 0 C
  • the invention further claims a device comprising at least one module element according to the invention
  • Figure 1 Exemplary measurement of the coefficient of thermal expansion over a temperature range from 400 0 C to 800 0 C.
  • Fig. 2 Inventive embodiments of a through opening, which has an extension, in the metallic or ceramic floor
  • FIG. 3 shows a cross-section of a high-temperature-stable base body with ceramic capillary membranes potted on two sides
  • Fig. 4 module element with two sided potted ceramic
  • Fig. 5 Gas-tightness of the composite between ceramic capillary membrane, the sufficiently gas-tight and high-temperature-stable compound and the high temperature-stable body after a 10-time cycle of heating to 850 0 C and cooling to 100 0 C.
  • FIG. 2 various design options of a through opening in the metallic or ceramic bottom are shown.
  • a through opening is shown, which is introduced as a bore 3, wherein the extension is configured as a conical depression 2 in the metallic or ceramic bottom 1.
  • Fig. 1 B is a punched
  • FIG. 2 C shows a top view of a metallic or ceramic base 1 provided with a through-opening, which is configured in star-shaped form 5 by way of example here.
  • FIG. 3 A shows a cross section through a high-temperature-stable basic body 6, which here by way of example consists of two metallic or ceramic bases 1, which are provided with through openings 8.
  • the ceramic capillary membranes 7 are introduced, wherein the through-holes 8 contain a sufficiently gastight and high-temperature-stable compound 9 in the extension of the continuous openings 8. This is the sufficiently gas-tight and
  • Fig. 3B shows a plan view of a metallic or ceramic floor 1, which is equipped with through holes 8, which in turn have extensions for receiving a sufficiently gastight and high-temperature-stable connection.
  • An inventive module element is shown in Fig. 4.
  • the high-temperature-stable base body 6, the structure of which is described in FIG. 3, has a gas inlet 11 via which an oxygen-rich gas, which consists for example of air, H 2 O or N 2 O, flows in.
  • the oxygen-rich gas then passes at a pressure of about 4 bar in the ceramic capillary 7, wherein the oxygen is transported in ionic form through the ceramic Kapillarmembranen 7, resulting in a highly selective separation of the oxygen from the oxygen-rich gas.
  • the oxygen-depleted gas is passed over the
  • Oxygen can then react, for example, with methane 13, whereby by the constant consumption of oxygen, a driving gradient for the
  • Oxygen permeation is maintained.
  • a synthesis gas 14 is formed.
  • Fig. 5 the gas-tightness of a composite between ceramic capillary membrane, the sufficiently gas-tight and high-temperature stable compound and the high temperature-stable body after a 10-time cycle of heating to 850 0 C and cooling to 100 0 C is shown.
  • the figure shows that even after 10 repetitions of the heating and cooling process no significant deterioration of the leak rate occurs.
  • the joint produced according to the invention can be operated over a period of 1000 hours at the operating temperature and a pressure difference of 6 bar between the two sides of the joint.
  • the leak rate determined over the entire period is below 1%. This corresponds to a purity of over the membrane separated oxygen of> 95%.
  • the module element may also consist of a base body with only one side potted ceramic capillary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen hochtemperatur-stabilen Grundkörpers, wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist, und mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung, wobei die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.

Description

Verfahren zur Pottung keramischer Kapillarmembranen
[0001] Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen hochtemperatur- stabilen Grundkorper, wobei der hochtemperatur-stabile Grundkorper, mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthalt, der mindestens eine
durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist und mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung aufweist Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der beanspruchten Modulelemente Diese Modulelemente eignen sich hervorragend zur Anreicherung von Sauerstoff aus Sauerstoff enthaltenden Fluiden oder zur Durchfuhrung von Oxidationsreaktionen
[0002] Keramische Membranen finden insbesondere bei
Hochtemperaturprozessen Anwendung Sie stellen beispielsweise eine preiswerte Alternative zur kryogenen Luftzerlegung bei der Sauerstoffgewinnung dar und werden bei der Darstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von
Kohlenwasserstoffen wie etwa Methan genutzt, die nach folgender Reaktionsgleichung ablauft (1) 2 CH4 + O2→2 CO + 4 H2
[0003] Andere Anwendungsmoghchkeiten liegen beispielsweise in der Gewinnung von sauerstoffangereichter Luft, wie z B in der DE 102005 006 571 A1 beschrieben, der oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen oder
Kohlenwasserstoffderivaten, der oxidativen Kopplung von Methan zu C2+, sowie der Wasser- und Lachgaszersetzung
[0004] Aus dem Stand der Technik ist bekannt Oxidationsreaktionen unter Nutzung sauerstoffionen- und elektronenleitender (gemischtleitender) keramischer Materialien durchzufuhren, wobei ein Reaktor eingesetzt wird, welcher durch eine gemischtleitende Membran in zwei Räume oder Bereiche unterteilt ist Grundlage sind dabei gasdichte Membranen, welche bei Temperaturen > 8000C die Fähigkeit zur selektiven Leitung von Sauerstoff und Elektronen zeigen, wie sie beispielsweise in der WO2005/081959 A1 genannt werden Im Betrieb wird auf einer Seite der Membran (Feedseite) ein sauerstoffhefemdes Gas oder Gasgemisch vorgelegt, wahrend auf der gegenüberliegenden Seite der Membran (Permeatseite) ein zu oxidierendes Medium vorgelegt wird Derartige Membranreaktoren werden beispielsweise in US 5,820,655 A, DE 10 2005 005 464, DE 10 2005 006 571 und DE 10 2006 060 171 beschrieben
BESTATIGUNGSKOPIE [0005] Die Sauerstoffpermeation erfolgt von der Seite des höheren Partialdruckes (Feedseite) zur Seite des niedrigeren Partialdruckes (Permeatseite). Da der Sauerstoff dabei in ionischer Form, nach nachstehender Gleichung (2) durch die Membran transportiert wird (2) O2 + 4 e→ 2 O2" ergibt sich eine hochselektive Abtrennung des Sauerstoffes aus dem Feedgas, welcher im Permeatgas ohne Verunreinigungen wie Stickstoff oder Edelgase, nach Gleichung (3) anfällt.
(3) 2 O2"→ O2 + 4 e- Dieser kann dann nach Gleichung (1) abreagieren, wodurch durch den ständigen
Verbrauch des Sauerstoffs ein treibendes Gefälle für die Sauerstoffpermeation erhalten bleibt.
[0006] Die Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation ist neben der
Zusammensetzung der Membran stark von den Betriebsbedingungen abhangig (T. Schiestel, M. Kilgus, S. Peter, K.J. Capary, H. Wang, J. Caro, Journal of Membrane Science 2005, 258, 1-4). Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Temperatur, welche im Allgemeinen einen linearen bis exponentiellen Einfluss auf die
Geschwindigkeit der Sauerstoffpermeation hat.
[0007] Typische Membranmaterialen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, stammen beispielsweise aus der Gruppe der Perowskit- (ABO3) bzw. der perowskitverwandten Strukturen, der Fluoritstrukturen (AO2), der Aurivilliusstrukturen ([Bi2O2][An-1BnOx]) oder der Brownmilleπtstrukturen (A2B2O5). Typische Beispiele für in der Literatur als sauerstoffleitende Materialien bzw. Materialklassen aufgeführte Systeme sind La1-x(Ca,Sr,Ba)xCo1-yFeyθ3- δ, Ba(Sr)Co1-XFeXO3- 0, Sr(Ba)Ti(Zr)1-x-y, COyFexO3- 5,
Figure imgf000004_0001
5, La015Sr0 5MnO3. ö, LaFe(Ni)O3- 0, La0 9Sr0 1FeO3-Q oder BaCOxFβyZrLx.yOs.0 (A. Thursfield et al, Journal of Material Science 2004, 14, 275-285; Y. Teraoka et al, Chemistry Letters 1985, 1743-1746; Y. Teraoka et al, Solid State lonics 1991 , 48, 207 - 212; J. Tong et al, Journal of Membrane Science 2002, 203, 175-189). [0008] Für den Einsatz dieser keramischen Kapillarmembranen ist es wichtig diese einzeln oder in großer Stückzahl in Modulelemente zu integrieren. Derartige Membranmodule müssen den Ansprüchen genügen, während des Betriebs eine hohe chemische und thermische Belastbarkeit aufzuweisen. Zudem müssen sie sich durch mechanische Stabilität auszeichnen und gasdicht abdichten. Die Integration von Kapillarmembranen in Modulelemente kann durch die Bildung einer Einbettung, auch Pottung genannt, aus einer Vergussmasse, auch Pottungsmasse genannt, erfolgen. Bei dieser Vorgehensweise ist die Anpassung von Pottmaterialien und Potttechniken erforderlich.
[0009] Eine optimale Kompatibilität zur keramischem Membran bietet eine Vergussmasse aus dem gleichen Material wie die keramische Membran selbst.
Allerdings lässt sich diese, verwendet man sie allein in einer einzigen Schicht, nicht gasdicht sintern, da dann auch die keramischen Hohlfasermembranen irreversibel verändert werden.
[0010] Aus der EP 0 941 759 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Hohlfasermembranmoduls bekannt, bei dem gesinterte Hohlfasern in eine
Vergussform, die als Lochplatte ausgebildet ist, eingebracht werden. Als
Vergussmaterial dient eine keramikhaltige Masse, die anschließend in einem geeigneten Temperaturschritt ausgehärtet wird und eine Schicht bildet, die die gesinterten Hohlfasern nach Entfernung der Vergussform in der gewünschten Position hält.
[0011] Ein Verfahren zur Herstellung von Membranmodulen ist aus der EP 0 938 921 A1 bekannt, in der Hohlfaserbündel in einer Vergussform platziert werden, ein Gießharz injiziert wird und das Ganze währenddessen mittels Ultraschall behandelt wird.
[0012] Beide Verfahren bringen den Nachteil mit sich, dass es leicht zu
Hohlfaserbrüchen kommen kann, insbesondere bei Entfernung der Vergussform.
[0013] Die DE 101 12 863 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlfaser- oder Kapillarmembranmoduls, wobei die Hohlfasern oder Kapillaren aus einem keramischen oder keramikhaltigen Material in ungesintertem Zustand in eine zur Aufnahme der Hohlfasern oder Kapillaren strukturierte Form eingebracht und in der Form mit einer einschichtigen Vergussmasse vergossen wird. Dabei verschließt die Vergussmasse die eingebetteten Hohlfaser- oder Kapillarmembranen jedoch nicht gasdicht. Dazu müssten in einem weiteren aufwendigen Schritt zusätzliche
Beschichtungen aufgetragen werden oder das Modul in eine aufwendige Vorrichtung mit Dichtungselementen integriert werden. Das hier beschriebene Modul weist also keine langzeitstabile Verbindung zwischen den keramischen Membranen und dem Reaktormantel auf. [0014] In der DE 44 25 209 A1 wird ein Verfahren zum stoffschlussigen Fugen von kompakten gesinterten Keramikkorpern beschrieben, indem zwischen die zwei Fugeflachen der Keramikkorper eine Folie aus grüner Keramik gelegt wird Die DE 10 2005 005 464 A1 offenbart Membranreaktoren, deren kapillarformige Membranen als Verbünde geformt sind Die Einzelfasern liegen im Verbund eng aneinander und vereintem an der Oberflache ohne zusatzlich Hilfsstoffe oder Klebstoffe
[0015] Die WO2006/089616 beschreibt Module und deren Herstellung, die temperaturbelastbar, mechanisch stabil und/oder gasdicht sind Diese Module umfassen Hohlfaser- oder Kapillarmembranen, einen Formkorper und aus
Vergussmassen bestehende Einbettungen, die die Hohlfaser- oder Kapillarmembranen in den Formkorper einbetten, wobei die Pottung mindestens drei Schichten aus mindestens zwei unterschiedlichen Vergussmassen umfasst Nachteilig an diesem Modul ist die aufwendige Schichtung der Pottung, die notwendig ist, um die zu erzielenden Eigenschaften des Moduls zu erreichen [0016] Eine weitere Herangehensweise temperaturbelastbare, mechanisch stabile und gasdichte Modulelemente zu fertigen, ist es die keramischen Kapillarmembranen direkt mit einem Lochboden über eine Pottung miteinander zu verbinden, die auf der gesamten Oberflache des Formkorpers aufgebracht wird, wobei der Lochboden einen festen Bestandteil des Moduls bildet und nicht wieder entfernt wird Das damit verbundene Problem ist dabei die Langzeitstabilitat solcher Module Oftmals weisen die verwendeten Matenalen ein unterschiedliches thermisches Dehnungsverhalten auf, was zu Spannungen zwischen den Matenalen und somit zu Brüchen und zur
Zerstörung des Moduls fuhrt
[0017] Dadurch, dass das Dehnungs- und Schrumpfungsverhalten des äußeren metallischen Materials und der fest eingespannten Hohlfaser oder des Bundeis aus Hohlfasern oftmals stark differiert, wird das spröde und nur geringfügig dehnbare Keramikmaterial bei Aufheiz- und Abkuhlvorgangen stark belastet und immer wieder beschädigt Der Einsatz bestimmter Dichtungssysteme aus Silikon zur
Problemminderung bringt den Nachteil mit sich, dass derartige Dichtungen nicht hochtemperaturbestandig sind, wodurch der dichtungsnahe Teil der Fasern in einer kuhleren Reaktorzone verbleiben muss Hierdurch wird die Konstruktion erheblich erschwert
[0018] Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde,
Module mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen, die insbesondere unter Betriebsbedingungen eine hohe Langzeitstabilität aufweisen, temperatur- und mechanisch-belastbar sind und zudem gasdicht abdichten.
[0019] Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass langzeitstabile
Modulelemente insbesondere dadurch entstehen, wenn die durchgehenden Öffnungen des in den hochtemperatur-stabilen Grundkörper einzubringenden Bodens eine
Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und der keramischen Kapillarmembran aufweisen und die Aufbringung der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung, die der Pottung dient, nur in diese entsprechende Erweiterung der durchgehenden Öffnung
eingebracht wird und keine durchgängige Schicht auf dem Lochboden bildet.
[0020] Die Erfindung betrifft ein Modulelement, umfassend einen hochtemperatur- stabilen Grundkörper, wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist, und mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen
Kapillarmembran ausgeformte Pottung, wobei die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur
Aufnahme der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.
[0021] Dabei wird unter dem Ausdruck hinreichend Temperatur-stabil die Stabilität bis zum Schmelzpunkt verstanden. Der Ausdruck hinreichend gasdicht definiert in dieser Anmeldung die Zulässigkeit von Leckageraten für ein technisches System. Die Festlegung einer maximal zulässigen Leckagerate kann dabei z. B. über eine
Sicherheitsbetrachtung im Hinblick auf Explosionsgrenzen o. ä. oder die Vorgabe erzielbarer Stoffreinheiten für ein konkretes verfahrenstechnisches System erfolgen. Unter dem Ausdruck keramische Kapillarmembran versteht man im Rahmen dieser Erfindung dichte Membranen, bei denen die Menge an Gas, welche bei einem
Differenzdruck von 1 bar durch die verbleibende Porenstruktur der Membran strömt, weniger als 30 %, bevorzugt weniger als 5 %, der unter Betriebsbedingungen mittels lonenleitung permeierenden Gasmenge beträgt. Die ungebrannten Membranen werden im Zuge dieser Erfindung als grüne Membranen bezeichnet.
[0022] Unter keramischen Kapillarmembranen können im Zuge dieser Erfindung unter anderem Hohlfasern verstanden werden. Darunter sind Gebilde zu verstehen, die einen hohlen Innenraum aufweisen und deren äußere Dimensionen, also Durchmesser oder lineare Dimensionen beliebig sein können. Die Hohlfasern können beliebige Querschnitte aufweisen, beispielsweise eckige, ellipsenförmige oder insbesondere kreisförmige Querschnitte. Die Hohlfasern können auch mit einem geeigneten Material beschichtet sein.
[0023] In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden eine Dicke von 0,5 bis 50 mm auf und ist mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen, die das 1,2 bis 2,9 fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran aufweist. Dabei beisitzt die keramische
Kapillarmembran bevorzugt eine äußere Querschnittsfläche von 0,5 bis 5 mm. Mit Vorteil ist die durchgehende Öffnung des metallischen oder keramischen Bodens dabei als Bohrung oder Stanzloch ausgestaltet.
[0024] Beispielhaft sind nachfolgend in Tabelle 1 für eine kreisförmige
durchgehende Öffnung und eine quadratische durchgehende Öffnung die optimalen Flächenfaktoren in Abhängigkeit der Querschnittsfläche der keramischen
Kapillarmembran angegeben:
Tabelle 1 :
Figure imgf000008_0001
[0025] Mit Vorteil weist die Erweiterung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden enthaltenen durchgehenden Öffnung eine Querschnittsfläche auf, die das 2,5 bis 20 fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran beträgt. Vorzugsweise weist die durchgehende Öffnung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden eine kegelförmige, kugelförmige, elliptische, sternförmige, pyramidenförmige, trichterförmige, trompetenförmige oder
glockenförmige Erweiterung auf oder ist als versenkter Kegel ausgestaltet.
[0026] Vorzugsweise weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden bevorzugt eine Dicke von 5 mm auf und ist mit mindestens einer
durchgehenden kreisrunden Öffnung versehen, die einen Durchmesser des 1,1 bis 1,5 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran aufweist, wobei die kreisrunde, kegelförmige Erweiterung einen Durchmesser des 1,5 bis 4 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran und eine Höhe von 2 mm aufweist.
[0027] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung aus 10 - 80 mg, vorzugsweise aus 45 bis 55 mg einer Glaskeramik ausgebildet.
[0028] Optional weist der mindestens eine metallische oder keramische Boden 10 bis 100000 durchgehende Öffnungen, bevorzugt 50 bis 5000 durchgehende Öffnungen und besonders bevorzugt 500 durchgehende Öffnungen und am bevorzugsten 50 durchgehende Öffnungen auf. Dabei umfasst der hochtemperatur-stabile Grundkörper mit Vorteil bevorzugt zwei metallische oder keramische Böden, von denen mindestens einer schwimmend gelagert ist. Optional können auch beide metallische oder keramische Böden auf einer Seite des Modulelements angebracht sein.
[0029] Der ideale Abstand der durchgehenden Öffnungen des metallischen oder keramischen Bodens zueinander ergibt sich durch Ermittlung des
Hüllkreisdurchmessers. Dabei ist sowohl eine quadratische als auch eine
Dreieckteilung des metallischen oder keramischen Bodens möglich. Bei einer quadratischen Anordnung der durchgehenden Öffnungen zueinander kann dies in einer Art und Weise geschehen, dass der Anströmwinkel 45° oder 90° beträgt. Bei einer Dreieckteilung sind 30°- oder 60°-Anströmungen denkbar. Der
Hüllkreisdurchmesser DH lässt sich nach folgender Formel abschätzen:
Figure imgf000009_0001
Die Konstante fi hat den Wert 1 ,1 für eine Dreieck- und 1,3 für eine quadratische Teilung. Die Konstante t2 kann aus Tabellen, die dem Fachmann beispielsweise aus dem VDI-Wärmeatlas, Ausgabe 2006 zugänglich sind, entnommen werden. dA stellt den Faserdurchmesser in mm dar, z ist die Faseranzahl, und t die Teilung in mm.
[0030] Die optimale maximale Faseranzahl z kann nun nach oben stehender Gleichung berechnet werden. Beispielhaft soll eine solche Berechnung in
nachstehender Tabelle 2 aufgezeigt werden. Dabei wurde eine Dreiecksteilung von 6O0C angenommen, wobei die Strömung axial parallel zu den Kapillarfasern im Gleichoder Gegenstrom verläuft. Tabelle2 Berechnung der optimalen maximalen Faseranzahl z
Figure imgf000010_0001
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der hochtemperatur- stabile Grundkorper bevorzugt zwei metallische oder keramische Boden Optional sind die zwei metallischen oder keramischen Boden des hochtemperatur-stabilen
Grundkorpers gegenüberliegend angeordnet sind und weisen einen Neigungswinkel von 0 bis 179 Grad auf
[0032] Optional ist es auch möglich, beide metallische oder keramische Boden auf einer Seite des Modulelements angebracht sind
[0033] Weiterhin wird beansprucht, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers schwimmend gelagert ist
[0034] Der hochtemperatur-stabile Grundkorper des Modulelements weist erfindungsgemaß einen beliebigen geometrischen Querschnitt auf und ist bevorzugt zylinderförmig ausgebildet Vorzugsweise besteht der hochtemperatur-stabile
Grundkorper aus einem Material, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die
Keramiken, Glaskeramiken und metallische Legierungen enthalt Dabei beruht die hochtemperatur-stabile metallische Legierung bevorzugt auf einer Nι-Basιs
[0035] Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass der hochtemperatur-stabile Grundkorper mindestens eine metallische Kapillare aufweist, die in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens eingebracht wird, wobei die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen metallischen Kapillare ausgebildeten Pottung aus einer Legierung besteht, wobei die mindestens eine metallische Kapillare die mindestens eine keramische Kapillarmembran aufnimmt und wobei die mindestens eine metallische Kapillare an mindestens einem Ende eine Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist, die eine Glaskeramik ist.
[0036] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen
Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik, die 20-45 Mol% BaO, 40-60 Mol% SiO2, 0-30 Mol% ZnO, 0-10 Mol% AI2O3, 0-5 Mol% BaF2, 0-2 Mol% MgO, 0-2 Mol% CaO, 0-2 Mol%TiO2,0-10 Mol% B2O3 sowie 0,5-4 Mol% M2O3 (M = Y, La oder Seltenerdmetalle) und/oder 0,5-4 Mol% ZrO2 enthält. Bevorzugt wird eine Glaskeramik mit nachfolgender Zusammensetzung: 26 Gew. % BaO, 54 Gew. % SiO2, 1 Gew. % B2O3, 1 Gew. % ZrO2, 1 Gew.% La2O3 und 17 Gew. % ZnO verwendet. Besonders bevorzugt wird eine Zusammensetzung der Glaskeramik, die 36,25 Gew. % BaO, 44,25 Gew. % SiO2, 5,0 Gew. % B2O3, 2,0 Gew.% ZrO2, 2,0 Gew.% La2O3, 2,0 Gew.% BaF2, 7,5 Gew.% AI2O3 und 1 ,0 Gew. % MgO enthält, eingesetzt.
[0037] In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine keramische Kapillarmembran aus einer Oxidkeramik gebildet und diese weist bevorzugt eine Perowskitstruktur, eine Brownmilleritstruktur, eine Aurivilliusstruktur oder eine Composiststruktur auf. Dabei wird unter Compositstruktur eine keramische Kapillarmembran verstanden, auf die eine Beschichtung aufgebracht ist. Dabei können verschiedene keramische und nicht-keramische Materialien miteinander kombiniert werden.
[0038] Vorzugsweise sind die Ausdehnungskoeffizienten aller eingesetzten Materialen bevorzugt dem Ausdehnungskoeffizienten der mindestens einen
keramischen Kapillarmembran ähnlich oder gleich.
[0039] Eine beispielhafte Messung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren ist in Fig. 1 über eine
Temperaturspanne von 4000C bis 8000C gezeigt. Dabei stellt Graph a die keramische Kapillarmembran dar, an die der thermische Ausdehnungskoeffizient der anderen Materialien angepasst werden soll. Dieser liegt hier zwischen 14*10'6 K'1 und 15*106 K' 1. Graph b stellt in dieser Figur den hochtemperatur-stabilen Grundkörper dar und Graph c bildet den thermischen Ausdehnungskoeffizienten über die Temperatur der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung ab. Bei dieser Messung bestand die verwendete keramische Kapillarmembran aus dem Material BaCoo,4oFeo,48Zro,i2θ3.8 . Der Grundkörper bestand aus dem Werkstoff 2.4633
(Handelsname Nicrofer 6025 H/HT oder Alloy 602/602CA) und die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung bestand aus der Zusammensetzung: 36,25 Gew. % BaO, 44,25 Gew. % SiO2, 5,0 Gew. % B2O3, 2,0 Gew.% ZrO2, 2,0 Gew.% La2O3, 2,0 Gew.% BaF2, 7,5 Gew.% AI2O3 und 1 ,0 Gew. % MgO.
[0040] Weiterhin von Vorteil ist es, wenn sämtliche eingesetzten Materialen, die mit der mindestens einen keramischen Kapillarmembran in Kontakt stehen, hinreichend chemisch inert gegenüber der mindestens einen keramischen
Kapillarmembran sind. Dabei wird unter hinreichend chemisch inert der reversible Prozess der Strukturänderung der Membran verstanden.
[0041] Das entsprechende Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Modulelements, beinhaltet die folgenden Schritte
Herstellung eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers
a) Aktivierung der mindestens einen keramischen Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden durch Ätzen oder Aufrauhen b) Ein- oder mehrmaliges Aufbringen einer Schutzschicht aus inerten
keramischen oder metallischen Materialien auf die keramische
Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
c) Vorbehandlung des metallischen oder keramischen Bodens durch
Ätzen, Aufrauen, oder thermischer Voroxidation an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
d) Verarbeitung eines amorphen Glaspulvers mit Additiven zu einem
Gießschlicker
e) Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle
zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden f) Einbringung von mindestens einer keramischer Kapillarmembran in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers, und
g) Sinterung
[0042] Zweckmäßig können die einzelnen Verfahrensschπtte zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers in geeigneter Reihenfolge vertauscht und/oder wiederholt werden Vorteilhaft erfolgt die Sinterung an verschiedenen geeigneten Stellen des Verfahrens zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers Damit ist gemeint, dass die keramische Kapillarmembran sowohl in gesintertem als auch grünem Zustand eingesetzt werden kann, was auch für den metallischen oder keramischen Boden gilt
[0043] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers als Schutzschicht auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer
Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt Au aufgebracht
[0044] In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die thermische Voroxidation bei der Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkorpers für 36 bis 60 Stunden, bei 8000C bis 10000C in Luftatmosphare durchgeführt
[0045] Mit Vorteil werden zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen
Grundkorpers die Additive zur Verarbeitung des amorphen Glaspulvers aus einer Gruppe ausgewählt, die Polyvinylalkohole, Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrohdon und Agar enthalt
[0046] Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens beziehen sich auf die
Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden In einer ersten
Verfahrensvariante werden die keramischen Kapillarmembranen einzeln unter Rotation mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen In einer weiteren
Verfahrensvariante werden die keramischen Kapillarmembranen in eine Gussform eingebracht und mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen Eine weitere Möglichkeit der Aufbringung des Gießschlickers ist, dass die Pfropfen aus Gießschhcker gegossen oder gespritzt werden und anschließend auf die keramischen Kapillarmembranen aufgefädelt werden Optional wird der Gießschhcker in die mindestens eine Erweiterung der durchgehenden Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens gegossen und anschließend durchstochen [0047] In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung werden 10 - 80 mg, vorzugsweise 45 bis 55 mg des Gießschhckers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur- stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht
[0048] In weitere Ausgestaltung des Verfahrens wird nach Durchlaufen der Verfahrensschritte 1a) bis g) erneut Gießschhcker auf eine vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur- stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht, wobei sich diese Kontaktstelle auf der gegenüberliegenden Seite der durch die Verfahrensschritte 1a) bis g) entstandenen Pottung befindet, woraufhin erneut gesintert wird Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass nachträglich Undichtigkeiten ausgemerzt werden können Optional kann dieser Vorgang auch mehrfach wiederholt werden
[0049] Des Weiteren kann das Verfahren so ausgestaltet werden, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkorper diese stehend oder liegend gesintert werden Dabei erfolgt die Sinterung vorteilhaft in einer kontrollierten Argon- Atmosphare mit 0,05 bis 0,2 % Sauerstoff mittels eines definierten Temperaturanstiegs und Temperaturabfalls von in einem Bereich, der sich von Raumtemperatur bis zur Sintertemperatur des Gießschhckers, die sich unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Kapillarmembran befindet, und die Heizrate dabei in einem Bereich von 0,5 - 2 K/mm hegt Bevorzugt hegt die Sintertemperatur dabei zwischen 95O0C und 11000C
[0050] Die Erfindung beansprucht des Weiteren eine Vorrichtung enthaltend mindestens ein erfindungsgemaßes Modulelement
[0051] Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von 5 Figuren naher erläutert Es zeigen
Fig 1 Beispielhafte Messung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten über eine Temperaturspanne von 4000C bis 8000C Fig. 2: Erfindungsgemäße Ausgestaltungen einer durchgehenden Öffnung, die eine Erweiterung besitzt, im metallischen oder keramischen Boden
Fig. 3: Querschnitt eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers mit zweiseitig gepotteten keramischen Kapillarmembranen
Fig. 4: Modulelement mit zweiseitig eingepotteten keramischen
Kapillarmembranen, das einseitig schwimmend gelagert ist Fig. 5: Gasdichtigkeit des Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper nach einem 10-maligem Zyklus von Aufheizen auf 8500C und Abkühlen auf 1000C
[0052] In Fig. 2 sind verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten einer durchgehenden Öffnung im metallischen oder keramischen Boden gezeigt. So ist beispielsweise in Fig. 2 A eine durchgehende Öffnung dargestellt, die als Bohrung 3 eingebracht ist, wobei die Erweiterung als kegelförmige Senke 2 in den metallischen oder keramischen Boden 1 ausgestaltet ist. In Fig. 1 B ist eine gestanzte
durchgehende Öffnung 4 gezeigt, die in den metallischen oder keramischen Boden 1 eingearbeitet ist. Fig. 2 C zeigt eine Draufsicht auf einen mit einer durchgehenden Öffnung versehenen metallischen oder keramischen Boden 1, die hier beispielhaft sternförmig 5 ausgestaltet ist.
[0053] Fig. 3 A zeigt einen Querschnitt durch einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper 6, der hier beispielhaft aus zwei metallischen oder keramischen Böden 1 besteht, die mit durchgehenden Öffnungen 8 versehen sind. Durch diese
durchgehenden Öffnungen 8 werden die keramischen Kapillarmembranen 7 eingebracht, wobei die durchgehenden Öffnungen 8 eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung 9 in der Erweiterung der durchgehenden Öffnungen 8 enthalten. Damit befindet sich die hinreichend gasdichte und
hochtemperatur-stabile Verbindung 9, die die keramischen Kapillarmembranen 7 mit dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper 6 verbinden nur in den Erweiterungen der durchgehenden Öffnungen 8, womit die Pottung somit nur punktuell ausgestaltet ist, was die Stabilität eines solchen Grundkörpers positiv beeinflusst. Fig. 3 B zeigt eine Draufsicht auf einen metallischen oder keramischen Boden 1, der mit durchgehenden Öffnungen 8 ausgestattet ist, die wiederum Erweiterungen zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweisen. [0054] Ein erfindungsgemäßes Modulelement ist in Fig. 4 dargestellt. Der hochtemperatur-stabile Grundkörper 6, dessen Aufbau in Fig. 3 beschrieben ist, verfügt über einen Gaseinlass 11 über den ein sauerstoffreiches Gas, das beispielsweise aus Luft, H2O oder N2O besteht, einströmt. Das sauerstoffreiche Gas gelangt anschließend bei einem Druck von ca. 4 bar in die keramischen Kapillarmembranen 7, wobei der Sauerstoff in ionischer Form durch die keramischen Kapillarmembranen 7 transportiert wird, wodurch sich eine hochselektive Abtrennung des Sauerstoffes aus dem sauerstoffreichen Gas ergibt. Das Sauerstoff-abgereicherte Gas wird über den
Gasauslass 12 wieder aus dem Modulelement entfernt. Der somit gewonnene
Sauerstoff kann dann beispielsweise mit Methan 13 abreagieren, wodurch durch den ständigen Verbrauch des Sauerstoffs ein treibendes Gefälle für die
Sauerstoffpermeation erhalten bleibt. Bei dieser Reaktion, die bei einer Temperatur von 8500C durchgeführt wird, entsteht ein Synthesegas 14.
[0055] In Fig. 5 ist die Gasdichtigkeit eines Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper nach einem 10-maligen Zyklus von Aufheizen auf 8500C und Abkühlen auf 1000C dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass auch nach lOmaligem Wiederholen des Aufheiz- und Abkühlvorgangs keine wesentliche Verschlechterung der Leckrate auftritt. Damit ist ein wesentlicher Fortschritt in der Fügetechnik bei der Herstellung von Modulelementen erreicht worden.
[0056] Die erfindungsgemäß hergestellte Fügung kann über einen Zeitraum von 1000 Stunden bei Betriebstemperatur und einer Druckdifferenz von 6 bar zwischen den beiden Seiten der Fügung betrieben werden. Die über den gesamten Zeitraum ermittelte Leckrate liegt unterhalb von 1 %. Dies entspricht einer Reinheit des über die Membran abgetrennten Sauerstoffes von > 95 %.
[0057] Alternativ kann das Modulelement auch aus einem Grundkörper mit nur einseitig eingepotteten keramischen Kapillarmembranen bestehen.
[0058] Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben: verbesserte Sauerstofftransportraten - verminderte Leckraten des Verbundes zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper
Erhöhung der Langzeitstabilität im Betrieb mechanisch stabil unter Temperaturwechselbeanspruchung bei Aufheiz- und Abkühlvorgängen
Keine oder vernachlässigbare chemische Reaktivität zwischen keramischer Kapillarmembran, der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung und dem hochtemperatur-stabilen Grundkörper
Bezugszeichenliste
metallischer oder keramischer Boden
kegelförmige Senke
Bohrung
gestanzte durchgehende Öffnung
sternförmige durchgehende Öffnung
hochtemperatur-stabilen Grundkörper
keramische Kapillarmembranen
durchgehende Öffnungen
hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung
Gaseinlass
Gasauslass
Methan
Synthesegas

Claims

Ansprüche
1. Modulelement, umfassend
i) einen hochtemperatur-stabilen Grundkörper,
ii) wobei der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens einen
metallischen oder keramischen Boden enthält, der mindestens eine durchgehende Öffnung zur Einbringung einer keramischen Kapillarmembran aufweist, und
iii) mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile
Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens auf mindestens einer Seite des metallischen oder keramischen Bodens eine Erweiterung zur Aufnahme der hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist.
2. Modulelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden eine Dicke von 0,5 bis 50 mm aufweist und mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen ist, die das 1 ,2 bis 2,9fache der Querschnittsfläche der keramischen Kapillarmembran aufweist.
3. Modulelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine durchgehende Öffnung des metallischen oder keramischen Bodens eine Bohrung oder ein Stanzloch ist.
4. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Erweiterung der mindestens eine im metallischen oder keramischen Boden enthaltene durchgehende Öffnung eine Querschnittsfläche aufweist, die das 2,5 bis 20 fache der Querschnittsfläche der keramischen
Kapillarmembran beträgt.
5. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Erweiterung der mindestens einen im metallischen oder keramischen Boden enthaltenen durchgehenden Öffnung kegelförmig, kugelförmig, elliptisch, sternförmig, pyramidenförmig, trichterförmig, trompetenförmig, glockenförmig oder versenkter Kegel ausgestaltet ist.
6. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden bevorzugt eine Dicke von 5 mm aufweist und mit mindestens einer durchgehenden Öffnung versehen ist, die einen Durchmesser des 1 ,1 bis 1 ,5 fachen des
Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran aufweist, wobei die kreisrunde, kegelförmige Erweiterung einen Durchmesser des 1,5 bis 4 fachen des Durchmessers einer kreisrunden keramischen Kapillarmembran und eine Höhe von 2 mm aufweist.
7. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung aus 10 - 80 mg, vorzugsweise aus 45 bis 55 mg einer Glaskeramik ausgebildet ist.
8. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden 10 bis 100000 durchgehende Öffnungen, bevorzugt 50 bis 5000 durchgehende Öffnungen und besonders bevorzugt 500 durchgehende Öffnungen und am bevorzugsten 50 durchgehende Öffnungen aufweist.
9. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper bevorzugt zwei metallische oder keramische Böden umfasst.
10. Modulelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei
metallischen oder keramischen Böden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers gegenüberliegend angeordnet sind und einen Neigungswinkel von 0 bis 179 Grad aufweisen.
11. Modulelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide metallische oder keramische Böden auf einer Seite des Modulelements angebracht sind.
12. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine metallische oder keramische Boden des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers schwimmend gelagert ist.
13. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper einen beliebigen geometrischen Querschnitt aufweist und bevorzugt zylinderförmig ausgebildet ist.
14. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Keramiken,
Glaskeramiken und metallische Legierungen enthält.
15. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der hochtemperatur-stabile Grundkörper mindestens eine metallische Kapillare aufweist, die in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens eingebracht wird, wobei die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen metallischen Kapillare ausgebildeten Pottung aus einer
Legierung besteht, wobei die mindestens eine metallische Kapillare die mindestens eine keramische Kapillarmembran aufnimmt und wobei die mindestens eine metallische Kapillare an mindestens einem Ende eine Erweiterung zur Aufnahme einer hinreichend gasdichten und hochtemperatur-stabilen Verbindung aufweist, die eine Glaskeramik ist.
16. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 20-45 Mol% BaO, 40-60 Mol% SiO2, 0-30 Mol% ZnO, 0-10 Mol% AI2O3, 0-5 Mol% BaF2, 0-2 Mol% MgO, 0-2 Mol% CaO, 0-2 Mol% TiO2, 0-10 Mol% B2O3 sowie 0,5-4 Mol% M2O3 (M = Y, La oder Seltenerdmetalle) und/oder 0,5-4 Mol% ZrO2.
17. Modulelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 26 Gew. % BaO, 54 Gew. % SiO2, 1 Gew. % B2O3, 1 Gew. % ZrO2, 1 Gew.% La2O3 und 17 Gew. % ZnO enthält.
18. Modulelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als hinreichend gasdichte und hochtemperatur-stabile Verbindung zwischen dem metallischen oder keramischen Boden und der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ausgeformte Pottung eine Glaskeramik ist, 36,25 Gew. % BaO, 44,25 Gew. % SiO2, 5,0 Gew. % B2O3, 2,0 Gew.% ZrO2, 2,0 Gew.% La2O3, 2,0 Gew.% BaF2, 7,5 Gew.% AI2O3 und 1,0 Gew. % MgO enthält.
19. Modulelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine keramische Kapillarmembran aus einer Oxidkeramik gebildet wird und diese bevorzugt eine Perowskitstruktur, eine Brownmilleritstruktur, eine Aurivilliusstruktur oder eine Compositstruktur aufweist.
20. Modulelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausdehnungskoeffizienten aller eingesetzten
Materialen bevorzugt dem Ausdehnungskoeffizienten der mindestens einen keramischen Kapillarmembran ähnlich oder gleich ist.
21. Modulelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sämtliche eingesetzte Materialen, die mit der mindestens einen keramischen Kapillarmembran in Kontakt stehen, hinreichend chemisch inert gegenüber der mindestens einen keramischen Kapillarmembran sind.
22. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 1, beinhaltend die folgenden Schritte
Herstellung eines hochtemperatur-stabilen Grundkörpers
a) Aktivierung der mindestens einen keramischen Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden durch Ätzen oder Aufrauhen b) Ein- oder mehrmaliges Aufbringen einer Schutzschicht aus inerten
keramischen oder metallischen Materialien auf die keramische
Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und
hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
c) Vorbehandlung des metallischen oder keramischen Bodens durch
Ätzen, Aufrauen, oder thermischer Voroxidation an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
d) Verarbeitung eines amorphen Glaspulvers mit Additiven zu einem
Gießschlicker
e) Aufbringung des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden
f) Einbringung von mindestens einer keramischer Kapillarmembran in die mindestens eine durchgehende Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers, und
g) Sinterung
23. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers vertauscht und/oder wiederholt werden.
24. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung an verschiedenen Stellen des Verfahrens zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers erfolgt.
25. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers als Schutzschicht auf die keramische Kapillarmembran an der vorgesehenen Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt Au aufgebracht werden.
26. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
25, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Voroxidation bei der Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers für 36 bis 60 Stunden, bei 8000C bis 10000C in Luftatmosphäre durchgeführt wird.
27. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die Additive zur Verarbeitung des amorphen Glaspulvers aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Polyvinylalkohole, Polyethylenglykol,
Polyvinylpyrrolidon und Agar enthält.
28. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die keramischen Kapillarmembranen einzeln unter Rotation mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen werden.
29. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die keramischen Kapillarmembranen in eine Gussform eingebracht werden und mit mindestens einem Pfropfen aus Gießschlicker versehen werden.
30. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers die Pfropfen aus Gießschlicker gegossen oder gespritzt werden und anschließend auf die keramischen Kapillarmembranen aufgefädelt werden.
31. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers der Gießschlicker in die mindestens eine Erweiterung der durchgehenden Öffnung des mindestens einen metallischen oder keramischen Bodens gegossen und anschließend durchstochen wird.
32. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers 10 - 80 mg, vorzugsweise 45 bis 55 mg des Gießschlickers auf die vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht wird.
33. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
32, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchlaufen der Verfahrensschritte 1a) bis g) erneut Gießschlicker auf eine vorgesehene Kontaktstelle zwischen keramischer Kapillarmembran, hinreichend gasdichter und hochtemperatur-stabiler Verbindung und dem metallischen oder keramischen Boden aufgebracht wird, wobei sich diese Kontaktstelle auf der gegenüberliegenden Seite der durch die Verfahrensschritte 1 a) bis g) entstandenen Pottung befindet, woraufhin erneut gesintert wird und dieser Prozess mehrfach wiederholbar ist.
34. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese stehend oder liegend gesintert werden.
35. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 22 bis
34, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese in einer kontrollierten Argon-Atmosphäre mit 0,05 bis 0,2 % Sauerstoff gesintert werden.
36. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach Anspruch 35, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Herstellung der hochtemperatur-stabilen Grundkörper diese mittels eines definierten Temperaturanstiegs und Temperaturabfalls in einem Bereich, der sich von Raumtemperatur bis zur Sintertemperatur des
Gießschlickers, die sich unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Kapillarmembran befindet, gesintert werden und die Heizrate dabei in einem Bereich von 0,5 - 2 K/min liegt.
37. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zur Herstellung des hochtemperatur-stabilen Grundkörpers zwischen 95O0C und 11000C liegt.
38. Vorrichtung enthaltend mindestens ein Modulelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
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