金属和陶瓷管道之间的密封 |
|||||||
| 申请号 | CN201310560317.6 | 申请日 | 2013-11-12 | 公开(公告)号 | CN103821934A | 公开(公告)日 | 2014-05-28 |
| 申请人 | 气体产品与化学公司; | 发明人 | R·P·安德伍德; S·C·坦塔雷里; | ||||
| 摘要 | 离子输送膜装置的陶瓷管道和金属管道之间的密封，其由陶瓷管道的密封表面、陶瓷管道的密封表面、单个密封垫体和单个贴合性夹层构成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.陶瓷管道和金属管道之间的密封，所述密封包括： |
||||||
| 说明书全文 | 金属和陶瓷管道之间的密封背景技术[0003] 离子传输膜装置需要金属管道至陶瓷管道的过渡。通常，陶瓷离子传输膜装置将需要被连接至金属管道系统以将渗透侧产物(permeate side product)输送至下一个加工过程。对于这种管道系统来说，使用如在膜中相同的陶瓷材料既不经济实用的也不机械实用。尽管操作温度、压力和气体组成的巨大改变，金属至陶瓷的过渡必须保持充分不泄漏。由此，需要金属管道和陶瓷管道之间的密封，其将适应热膨胀系数和化学膨胀系数之间极大差异，并且还提供在超过800℃的温度和最高约2.5MPa（绝对压力）（350psig）的压力下长时间操作的强健性能，压力差对密封提供了压缩力。密封必须在高压和低压下都能够提供密封。与金属和陶瓷部件接触的密封组件也需要与这些部件是化学相容的。 [0004] 虽然特别适用于离子传输膜装置，但是本文描述的陶瓷部件和金属部件之间的密封可以发现适用于在类似的温度和压力下操作并且需要充分不泄漏的密封的其它技术中。 [0005] 美国专利US7,222,406（其通过引用并入本文）公开了多层密封，其中，密封垫体(gasket body)具有在所述密封垫体的每一侧邻近布置的贴合性夹层(compliant interlayer)；所述密封垫体夹在两个贴合性夹层之间。 [0006] 然而，在贴合性夹层与陶瓷相接触时就会产生问题。贴合性夹层与陶瓷的粘附可导致陶瓷中的机械应力和可能的破裂。贴合性夹层和陶瓷之间的化学反应或者贴合性夹层扩散至陶瓷中可能导致不期望的陶瓷特性变化。 [0007] 工业上需要陶瓷管道和金属管道之间充分不漏的且耐久的密封。 [0008] 发明概述 [0009] 本发明涉及陶瓷管道和金属管道之间的密封（seal），例如用于离子传输膜装置中。 [0010] 如下概述了所述密封的几个方面。 [0011] 第一方面。密封，包括： [0012] 陶瓷管道的密封表面； [0013] 金属管道的密封表面； [0014] 限定了第一表面和第二表面的密封垫体，所述第二表面与所述第一表面相反，所述密封垫体的第一表面直接接触陶瓷管道的密封表面；和 [0015] 贴合性夹层，其设置在所述密封垫体的第二表面和所述金属管道的密封表面之间，所述贴合性层直接接触所述金属管道的密封表面； [0016] 其中，所述密封垫体包含选自云母、蛭石、蒙脱石、石墨和六方氮化硼的矿物；并且[0017] 其中，所述贴合性夹层包含选自玻璃、玻璃陶瓷、玻璃复合材料、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合材料的材料。 [0018] 第二方面。密封，其由以下构成： [0019] 所述陶瓷管道的密封表面； [0020] 所述金属管道的密封表面； [0021] 限定了第一表面和第二表面的单个密封垫体，所述第二表面与所述第一表面相反，所述密封垫体的第一表面直接接触所述陶瓷管道的密封表面；和 [0022] 单个贴合性夹层，其设置在所述密封垫体的第二表面和所述金属管道的密封表面之间并直接接触所述密封垫体的第二表面和所述金属管道的密封表面； [0023] 其中，所述密封垫体包含选自云母、蛭石、蒙脱石、石墨和六方氮化硼的矿物；并且[0024] 其中，所述贴合性夹层包含选自玻璃、玻璃陶瓷、玻璃复合材料、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合材料的材料。 [0025] 第三方面。第一或第二方面的密封，其中，所述密封垫体包含至少95wt%的矿物，所述矿物选自云母、蛭石、蒙脱石、石墨和六方氮化硼。 [0026] 第四方面。第一至第三方面中的任一方面的密封，其中，所述密封垫体为云母纸、蛭石纸、滑石渗入(talc-infiltrated)的蛭石纸、或者氮化硼片。 [0027] 第五方面。第一至第四方面中的任一方面的密封，其中，所述贴合性夹层不接触所述陶瓷组件的密封表面。 [0028] 第六方面。第一至第五方面中的任一方面的密封，其中，所述密封垫体的第一表面至少基本上平行于所述密封垫体的第二表面。 [0029] 第七方面。第一至第六方面中的任一方面的密封，其中，所述密封垫体的厚度为0.025mm至0.26mm。 [0030] 第八方面。第一至第七方面中的任一方面的密封，其中，所述贴合性夹层为包含至少95wt%的金、银、钯或其合金的金属。 [0031] 第九方面。第一至第七方面中的任一方面的密封，其中，所述贴合性夹层包含至少95wt%的玻璃或玻璃陶瓷。 [0032] 第十方面。第一至第九方面中的任一方面的密封，其中，所述贴合性夹层的厚度在加热前为0.025mm至1.27mm。 [0033] 第十一方面。第一至第十方面中的任一方面的密封，其中，所述密封垫体将所述陶瓷管道的密封表面与所述贴合性夹层隔开。 [0034] 第十二方面。第一至第十一方面中的任一方面的密封，其中，所述密封垫体为具有润滑特性的剪切层或者滑动层，或者为包含片或薄片的片状结构，所述片或薄片可以在至少基本上平行于所述片或薄片的方向上相对于彼此位移。 [0036] 图1为穿过管道、密封垫和贴合性夹层的横截面。 [0037] 图2为用作实例的样品的分解图。 [0038] 发明详述 [0039] 如本文中所用，在应用于在说明书和权利要求书中所描述的本发明实施方式的任意特征时，冠词“一（a，an）”是指一个或多个。使用“一”和“一个”并不将含义限定为单个特征，除非具体说明了这样的限定。在单数或复数名词或名词短语之前的冠词“所述/该（the）”表示一个或多个具体指定的特征，并且根据其所使用的上下文可以具有单数或复数含义。形容词“任意/任何”是指一个、一些或者所有不区分的任何量。位于第一实体和第二实体之间的术语“和/或”是指（1）第一实体、（2）第二实体、以及（3）第一实体和第二实体中的一种。位于3个或更多个实体的列举的最后两个实体之间的术语“和/或”是指在所述列举中的实体中的至少一个，包括所述列举中实体的任何特定组合。 [0040] 如本文所使用，“第一”、“第二”、“第三”等用于从多个步骤和/或组件和/或特征中进行区分，并且不指示时间和/或空间的相对位置。 [0041] 在表达为重量%值的情况下，该值为相应组件例如密封垫体或贴合性层总重量的分数。 [0042] 本发明涉及在离子传输膜装置内陶瓷管道和金属管道之间的密封。 [0043] 所述密封参考图1来描述。 [0044] 密封由陶瓷管道10的密封表面15、金属管道20的密封表面25、单个密封垫体30和单个贴合性夹层40构成。密封防止流体穿过接合从管道的外部流至所连接管道的内部，或者从管道的内部流至所连接管道的外部。陶瓷管道的密封表面和金属管道的密封表面可以至少基本上相互平行和/或隔开通过等于受压的密封垫体和贴合性夹层厚度的距离。 [0045] 陶瓷管道10可以由在离子传输膜装置内所使用的任何已知的陶瓷构成，例如单相多组分金属氧化物或者多相复合材料。单相多组分金属氧化物的例子包括混合的氧离子和电子传导的钙钛矿和掺杂镍酸镧。多相复合材料的例子包括离子导体例如萤石和电子导体例如钙钛矿的两相混合物。混合的氧离子和电子传导的钙钛矿的例子包括组成LnxA'x'A''x''ByB'y'B"y''O3-z，其中Ln选自La和镧系元素；A'选自碱土金属元素，并且A''独立地选自La、镧系元素和碱土金属元素；B、B'和B"独立地选自第一行过渡金属、Al、Ga和Mg；0≤x≤1；0≤x'≤1；0≤x''≤1；0﹤y≤1；0≤y'≤1；0≤y''≤1；x+x'+x''=1；0.9＜y+y'+y''＜1.1；并且z为使得化合物电中性的数。 [0046] 金属管道20可以由在离子传输膜装置内所使用的任何已知的金属构成。 合适 的 金属 例如 可以 包 括 800H, 800, 800HT,253MA,353MA, 230, 214, HR-120, 600, 601和 602CA。 [0047] 密封垫体30限定了第一表面和第二表面，第二表面与第一表面相反。密封垫体的第一表面直接接触陶瓷组件10的密封表面15。密封垫体需要具有适应平行于密封表面的平面（平行于金属和陶瓷管道的密封表面）作用的剪切应变的能力。因此，当被置于与陶瓷体或者贴合性层相接触时，材料必须具有低摩擦系数，或者其必须具有允许其在低应力下经历剪切应变的结构。 [0048] 密封垫体包含选自云母、蛭石、蒙脱石、石墨和六方氮化硼的矿物。密封垫体可以包含至少95wt%的选自云母、蛭石、蒙脱石、石墨和六方氮化硼的矿物。密封垫体可以是云母纸、蛭石纸、滑石渗入的蛭石纸、或者氮化硼片。密封垫体可以是例如Flexitallic TMThermiculite 866。 [0050] 术语“云母”涵盖一组具有层状结构的复合铝硅酸盐矿物，其具有变化的化学组成和物理特性。更具体地，云母为铝的复合含水硅酸盐，其含有钾、镁、铁、钠、氟和/或锂，并还含有痕量的几种其它元素。其是稳定的并且对水、酸（除了氢氟酸和浓硫酸）、碱、常规溶剂、油的作用是完全惰性的，并且实际上不受大气作用的影响。化学计量地，常用的云母可以如下描述： [0051] AB2-3(Al,Si)Si3O10(F,OH)2 [0052] 其中A=K、Ca、Na或者Ba并且有时为其它元素，并且其中B=Al、Li、Fe或者Mg。尽管存在多种云母，但是下面的六种形式构成绝大多数的常用类型：黑云母(K2(Mg,Fe)2(OH)2(AlSi3)10))、铬云母（富含铁的黑云母）、锂云母(LiKAl2(OH,F)2(Si2O5)2)、白云母(KAl2(OH)2(AlSi3O10))、金云母(KMg3Al(OH)Si4O10))和铁锂云母(类似于锂云母，但富含铁)。云母可以以纸的形式或者以单晶的形式获得，其每种形式均包括在本发明各种实施方式中。纸形式的云母通常由云母薄片和粘合剂（例如有机粘合剂，例如硅氧烷粘合剂或者环氧树脂）组成，并且可形成多种厚度，通常为约50微米至最高几毫米。单晶形式的云母通过从天然云母矿床直接解理而获得，并且通常不与聚合物或者粘合剂混合。 [0053] 密封垫体的第一表面可以至少基本上平行于密封垫体的第二表面。密封垫体的厚度可以为0.025mm至0.26mm。 [0054] 密封垫体作为密封的部件防止流体流过接合，即其“密封”。 [0055] 与陶瓷管道的密封表面接触的密封垫体为具有润滑特性的“剪切层”或者“滑动层”，或者为片状结构，其中所述片可以相互相对（平行）位移。在这种方式中，剪切层适应金属和陶瓷管道的热和化学膨胀的差别。密封垫体的第二功能在于在密封中在相对活性的陶瓷和其它材料之间形成保护界限。密封垫体起着阻止贴合性夹层和陶瓷管道之间的粘附、粘结和化学反应的阻隔的作用。 [0056] 贴合性夹层40置于密封垫体30的第二表面和金属组件20的密封表面25之间并与之直接接触。贴合性夹层包含选自玻璃、玻璃陶瓷、玻璃复合材料、金属陶瓷、金属、金属合金和金属复合材料的材料。贴合性夹层优选不接触陶瓷组件10的密封表面15。 [0057] 如本文所使用，术语“贴合性”意图指材料性能，由此在离子传输膜装置的操作条件下，所述材料在给定压缩力下具有一定程度的塑性变形，使得其与相邻的表面相配以阻塞穿过接合的气体泄露路径。这样的气体泄露路径可能例如由组件的相邻表面中的缺陷而产生，或者由表面中的其它不规则性、包括金属组件上的沟槽或者陶瓷组件上的沟槽或空隙产生。 [0058] 贴合性层的主要功能在于适应金属管道的密封表面和密封垫体二者中的不规则性，以及陶瓷管道密封表面中较大尺度的与平面的偏差。 [0059] 为了获得密封，贴合性夹层可以以各种方式应用于密封垫体上，包括例如但不限于浸涂、涂覆、丝网印刷、沉积、喷射、流延和沉降。此外，贴合性夹层材料可以以各种形式提供，包括例如作为纤维、颗粒、粉末、浆料、液体悬浮液、糊料、陶瓷带、金属箔、金属片等等。 [0060] 贴合性夹层40可以是包含至少95wt%的金、银、钯及其合金的金属。 [0061] 贴合性夹层可以包含至少95wt%的玻璃或玻璃陶瓷，其可以有利地为可机械加工的陶瓷，如 [0062] 贴合性夹层的厚度在加热前可以是0.025mm至1.27mm。如果金属密封表面或陶瓷密封表面并不是完全平的，那么贴合性层必须足够厚以适应任何的不平坦。 [0063] 密封垫体和贴合性夹层的厚度尺寸为垂直于管道的密封表面的尺寸。 [0064] 密封垫体和贴合性夹层的宽度尺寸对应于管道壁的厚度尺寸。 [0065] 密封垫体的宽度可以大于、小于或者等于贴合性夹层的宽度。密封垫体的宽度可以大于、小于或者等于陶瓷管道壁的厚度。密封垫体的宽度可以大于、小于或者等于金属管道壁的厚度。陶瓷管道的厚度可以大于、小于或者等于金属管道壁的厚度。贴合性夹层的宽度可以大于、小于或者等于陶瓷管道壁的厚度。贴合性夹层的宽度可以大于、小于或者等于金属管道壁的厚度。 [0066] 为了密封金属管道和陶瓷管道之间的接合，本文所公开的双层密封设置在金属管道的密封表面和陶瓷管道的密封表面之间，使得密封垫体紧靠陶瓷管道的密封表面设置，并且贴合性夹层设置在密封垫体和金属管道的密封表面之间。密封随后通过施加垂直于密封表面的压缩力而完成，以既将密封元件保持在它们恰当的位置又致使贴合性夹层在装置操作条件下符合金属管道和密封垫体的表面中的缺陷。压缩力可以完全通过装置的高压侧和低压侧之间的压力差提供（即不用机械方式）。任何合适的几何形状均可用于通过压力差产生压缩力。在操作或使用期间产生的压应力可以是约34.5kPa（5psi）至约13.8MPa（2000psi），或者约34.5kPa（5psi）至约3446kPa（500psi），或者约69kPa（10psi）至约2757kPa（400psi），或者约103.5kPa（15psi）至约2068kPa（300psi）。 [0067] 本密封可方便地用于将陶瓷管道的环形横截面密封表面（如法兰）连接至金属管道类似的密封表面。对于这种类型的应用来说，密封垫体和贴合性夹层可以是垫圈形状的。对于给定的压缩力，降低密封面积提高了作用于密封上的每单位面积的压缩力。然而，使密封垫变窄缩短了通过密封泄漏的临界距离。出于这种原因，通常存在最优的密封面积并且通常不期望密封垫体和贴合性夹层相互之间或者与管道具有相同的内径和外径。相反，应当定制密封垫体和贴合性夹层的尺寸以优化每单位密封面积（其为密封垫体，贴合性夹层或者法兰面积之一的较小者）的压缩力、最小的密封尺寸（高和低压气体之间的距离）、密封组件的成本，以及待密封系统特定的其它考虑因素的平衡。 实施例 [0068] 测试样品以比较双层密封和三层密封的密封性能。每个样品均通过在合金253MA密封杯和钙钛矿盘之间堆叠垫圈形状的贴合性夹层和垫圈形状的密封垫体来制备，如在图2的分解图中所示。在这个实施例中，253MA密封杯起着金属管道的作用，并且钙钛矿盘起着陶瓷管道的作用。这种几何形状与离子传输膜装置的几何形状相似，允许密封杯的高压侧和低压侧之间的压力差以在密封上提供压缩力；管道和密封包含外部压力。钙钛矿为La0.4Sr0.6CoO3-δ，其中δ为使化合物电中性所需的数。 [0069] 样品1和2为三层密封，由两个金贴合性夹层和一个金云母纸密封垫体构成。金云母纸密封垫体夹在两个金贴合性夹层之间。一个金贴合性夹层接触合金253MA密封杯的密封表面，而另一个金贴合性夹层接触钙钛矿盘的密封表面，如图2（a）中所示。 [0070] 样品3和4为双层密封，由一个金贴合性夹层和一个金云母纸密封垫体构成。金云母纸密封垫体直接接触钙钛矿盘的密封表面。金贴合性夹层直接接触合金253MA密封杯的密封表面和金云母纸密封垫体，如图2（b）中所示。 [0071] 金贴合性夹层均为垫圈形状的，每个均具有3.6cm的外径、2.8cm的内径以及0.076mm的厚度。金云母纸密封垫体均为垫圈形状的，每个均具有3.6cm的外径、2.8cm的内径以及0.102mm的厚度。钙钛矿盘具有3.81cm的外径。 [0072] 将样品放置在圆筒炉中的压力容器中并加热至870℃，随后利用空气将所述炉加压至1.65MPa（绝压）。高压侧（密封杯外侧）和低压侧（密封杯内侧）之间的压力差在密封上提供了压缩力。样品在这样的条件下保持如在表1所示出的停留时间。随后将所述炉减压（通常至163kPa（9psig））并然后在开始下一个循环前冷却至小于40℃。密封杯的内部通过流量计排空至大气压，所述流量计测量密封和钙钛矿盘的泄漏速率（预期通过密封的泄漏速率是主要的，除非钙钛矿盘故障）。每个样品经历如表1中所示的六个循环。连续地测量空气通过密封和钙钛矿的泄漏速率。表1依据平均泄漏速率概括了每个循环的试验结果。 [0073] 与双层密封的119至187sccm的泄漏速率相比，三层密封提供了更好的初始性能，其泄漏速率为63至67sccm（其中，单位“sccm”定义为在0℃和1atm的绝对压力下的mL/min）。然而，在几个热和压力循环之后，双层密封仍然是耐用的，其性能变化较小。在两个三层密封中，样品1也仍然是耐用的，但是样品2显示出显著的性能下降。对于样品2来说，在第四循环期间泄漏速率超出流量计刻度。在第六循环期间，泄漏速率足够高以至弹开了系统的流量限制阀，其意味着该泄漏速率大致为2000sccm或更高。 [0074] 这些实验说明了双层密封可以提供与三层密封相比合适的密封。在长期性能方面，例如使用密封的装置的整个寿命，双层密封可以是优选的，因为三层密封中贴合性夹层（例如金）可能扩散或者以其他方式与陶瓷反应，由此使密封降低。 [0075] 表1 [0076] [0077] |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈