SE526425C2 - Membranseparationsmodul, membranseperationskonstruktion, separationsförfarande samt förfarande för att tillverka en membranseparationskonstruktion - Google Patents

Description

526 425 2 blir effektivare när ett högre partialtryck på den gas som skall separeras upprätthålles på det perrneabla membranets gasblandningssida. Det är också önskvärt om gasblandningen och det selektivt permeabla membranet kan hållas vid förhöjda temperaturer för att underlätta den önskade gasens separation från gasblandningen. Denna typ av processkan användas för att se- parera väte från en gasblandning innehållande väte. Sålunda är i denna ansökan det permeabla membranet genomträngligt för väte och är vanligen gjort av palladium eller en palladiurn- legering. Exponeringen för höga temperaturer och mekaniska påkänningar skapade av tryck- skillnaden för att det perrneabla membranet stöttas på sådant sätt att det inte hindrar den önskade gasens passage genom membranet.

En typ av konventionella apparater som användes för separation av väte från en gas- blandning använder ett vävt, eldfast tyg för att stöda det permeabla membranet under sepa- rationen. Nackdelen med detta slags konventionella membranstöd är att tygbäraren har benä- genhet att gå sönder när den utsättes för höga mekaniska påkänningar tillsammans med den erforderliga tryckskillnad som fordras för diffiision genom membranmaterialet.

Ett annat konventionellt perrneabelt membranstöd är en metallduk placerad intill det permeabla membranet. Nackdelen med denna typ av stöd är att intermetallisk diffusionsbind- ning sker mellan membranstödet och membranet när de utsättes för höga tryck och höga tem- peraturer. Det höga trycket tenderar att sarnrnanpressa membranet och metallduken och de höga temperaturema tenderar att försämra dessa materials kemiska bindningar. Sådana olämp- liga tendenser resulterar i att molekyler av membranet migrerar till metallduken och moleky- ler av metallduken migrerar till det penneabla membranet tills en bindning bildas mellan des- sa båda strukturer. Denna interrnetalliska diffusionsbindning resulterar i ett kompositmaterial som inte längre är genomträngligt för vätgasen.

Sålunda finns ett behov av ett sätt och en apparat för att separera ett önskat fluidum från en fluidumblandning som säkert och pålitligt står emot höga tryck och temperaturer vid användningen.

Ett annat behov finns av ett permeabelt membran och stödanordning för att separera ett önskat fluidum från en fluidumblandning där det permeabla membranet inte är känsligt för sprickor eller intermetallisk diffusionsbindning.

Ytterligare ett behov finns för ett sätt att stöda ett vätskepermeabelt membran när det utsättes för höga temperaturer och höga tryck.

O Q 0 0 0000 0 I 00 000! 0 00 0 0 Q 0 000 0 0 0 0000 I 0 0 0 0 0 0000 000 00 00 0 ll 0 I O O' 0 0 0 I O 0 IC QIO Il 10 15 20 25 30 Kort beskrivning av ritningarna För bättre förståelse och tillämpning av den föreliggande uppfinningen beskrives fö- redragna utföranden nedan i samband med de åtföljande figurema där fig. 1 är en isometrisk vy av en membrankonstruktion enligt föreliggande uppfinning före svetsning, fig. 2 är en vy uppifrån av membrankonstruktionen på fig. 1, fig. 2A är ett tvärsnitt genom rnembrankonstruktionen på fig. 2 längs linjen och pilarna 2A, fig. 3 är ett delvis genomskuret snitt i perspektiv av hörnet på membranet enligt uppfinningen, fig. 4 är en delvis genomskäming av membrankonstrillctionen enligt uppfinningen, fig. 5 är en isometrisk vy uppifrån av en fluidumseparationskonstruktion enligt uppfinningen, fig. 6 är en exploderad isometrisk vy av vätskeseparationskonstruktionen på fig. 5 enligt före- liggande uppfinning, fig. 7 är en exploderad isometrisk vy av hondelen i det permeabla membranet på fig. 5 enligt uppfinningen, fig. 8 är en exploderad isometrisk vy av handelen i det permeabla membranet på fig. 5 enligt uppfinningen, fig. 9 är en isometrisk genomskuren vy av vätskeseparationskonstruktionen enligt uppfinning- en, fig. 10 är en förstorad vy av sektion A i vätskeseparationskonstruktionen på fig. 9, fig. ll är ett tvärsnitt längs linjen ll-ll genom vätskeseparationskonstrulctionen på fig. 5 en- ligt uppfinningen, fig. 12 är ett isometriskt schematiskt snitt genom en modul sammansatt av flera fluidum- separationskonstruktioner enligt uppfinningen, och fig. 13 är en förstorad sektion B av modulen på fig. 12.

Kort sammanfattning av uppfinningen Den vätegenomsläppliga membrankonstmlctionen enligt föreliggande uppfinning in- nehåller en skivfonnad metallfolie på en bärare med en storlek som överlappar en bärplåt eller en skiva som kan släppa igenom produktgaser diffunderade eller överförda genom metallfo- lien, vilken skiva slutar vid sin omkrets med ett par snedslipade bärringar av metall som ligger över bärplåten och ett par snedslipade fångringar av metall med samma form som de snedsli- pade bärringarna för att lägga in den vätegenomsläppande membranfolien däremellan och konstruktionen slutar med en kant bildad av kanterna på fångringarna och bäningarna med den inlagda folien, vilken kan sedan förseglas herrnetiskt med en svetsning som förenar alla 10 15 20 25 30 526 425 4 ringama. Konstruktionen innehåller medel för central bortledning av det separerade vätet från bärplåten.

Föreliggande uppñnning avser en fluidumseparationskonstruktion med ett fluidum- permeabelt membran och ett trådnätsmembran som bärare intill det fluidumpermeabla mem- branet, vari trådnätsmembranet har en intermetallisk diffusionsbindande barriär.

Föreliggande uppfinning avser vidare ett sätt att separera ett önskat fluidurn från en fluidumblandning innehållande ett membran som är perrneabelt för det önskade fluidet, och bildar en bärare för trådnätet med en intermetallisk diffusionsbindande barriär där trådnäts- membranets bärare är intill det fluidumpermeabla membranet, i kontakt med dettas bärare med fluidumblandningen och i kontakt med trådnätsmembranets bärare med det önskade flui- det som tränger igenom det fluidumperrneabla membranet.

Uppfinningen avser vidare ett sätt att göra en fluidumsepareringskonstruktion genom att göra ett membran genomsläppligt för ett önskat fluidum, en första hållare, en trådnäts- membranbärare med en interrnetallisk diffiisionsbindningsbarriär och placera den intill det fluidumperrneabla membranet, en genomsläpplig del intill membranbäraren, en packning intill membranet, en andra hållare intill membranbäraren och sammanfoga den första hållaren, packningen och den andra hållaren vid deras periferier.

Föreliggande uppfinning avser ett sätt att uppbära ett fluidumperrneabelt membran genom att göra ett membran som är genomsläppligt för ett önskat fluidum, och en trådnäts- membranbärare med en interrnetallisk diffiisionsbindande barriär, vari trådnätsmembran- bäraren är intill och uppbär det fluidumgenomsläppliga membranet.

Andra detaljer, syften och fördelar med den föreliggande uppfinningen framgår tydli- gare av den följande beskrivningen av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning Föreliggande uppfinning skall beskrivas nedan med avseende på apparater och sätt för separation av väte från en blandning av gaser. Det skall påpekas att beskrivningen av upp- finningen för en väteseparationskonstruktion är endast illustrerande och fördelarna med upp- finningen kan förverkligas med andra konstruktioner och teknik som har behov av sådana apparaturer och metoder för separation av ett önskat fluidum fiån en fluidumblandning inne- hållande det önskade fluidet.

Det skall vidare nämnas att figurema och beskrivningarna av den föreliggande upp- finningen har förenklats för att illustrera de element som är relevanta för en klar förståelse av uppfinningen, med för tydlighetens skull utelämnande av andra element och/eller beskriv- 10 15 20 25 30 5 2 6 4 2 5 - f: - ' 5 ningar därav som finns i väteseparationskonstruktionen. Sakkurmiga personer förstår att andra element kan vara önskvärda för att förverkliga den föreliggande uppfinningen. Då emellertid sådana element är välkända inom tekniken och då de inte underlättar någon bättre förståelse av uppfinningen diskuteras inte sådana element här.

Vid tillverkning av en gasseparationsanordning baserad på ett metallrnembran är det nödvändigt att eliminera alla tänkbara läckor mellan membranets inmatningssida och dess produkt- eller genomsläppningssida. Detta göres för att nå den högsta möjliga renheten på produktströmmen. Vanligen är membran som användes i anordningar av detta slag mycket tunna och har följaktligen låg mekanisk hållfasthet. En mekanisk bärare placerad under mem- branet på produktsidan gör att det fungerar vid höga differentialtryck och förhöjda tempe- raturer. Om membranrnaterial placeras på båda sidor om den mekaniska bäraren belastas själ- va bäraren med tryekkrafter vid driñ. Med denna utformning kan den mekaniska bäraren vara mindre robust än om den skulle belastas endast från den ena sidan.

Föreliggande uppfinning anvisar ett sätt att försegla varje "membranhalva" oberoen- de av den mekaniska bäraren så att alla tänkbara läckor elimineras. Om båda membranen se- dan förenas vid sin omkrets med en enda svetssträng minskas risken för en läcka genom svetssträngen väsentligt.

Många sätt att förbinda tunna metallfolier som användes för vätegenomsläppliga membraner är kända. Ansträngningar att få en hermetisk försegling av sådana foliemembran med svetsning, lödning eller diffusionsbindning beslaives i USP 5,645,626. Ytterligare an- strängningar med en lödd fog beskrives i den kanadensiska patentansökan 436,620. Proble- men med en lödd fog är risken för att lödlegeringen förorenar membranets yta under löd- ningen med metaller, flussmedel eller andra substanser som kan störa membranets förmåga att transportera väte vid driften. Diffusionsbindning av membranfolier som ett medel för fastsätt- ning mot fabricerade bärare begränsas av kraven på att en hermetisk försegling av en limmad fog kan endast ske när materialet i bindningszonen är i flytande tillstånd någon gäng under bindningen.

Föreliggande uppñnning använder sammanfogningen av två turma foliemembran (approximativt 25 ttrn/0,00l tum) med användning av kommersiellt tillgänglig svetsteknik. En enda svetsfog förseglar båda membranen herrnetiskt i ett steg, minskar risken för en felaktig svetsfog på grund av svetsningsinducerad stress, förorening i basmetallema och porositet i den färdiga svetsen med approximativt 50%. Den färdiga fogen har fördelar framför nuvaran- de teknik genom pålitligheten och den enkla tillverkningen. 10 15 20 25 30 Väteseparationsmembranet enligt uppfmningen är därför en förbättring av den mem- branstruktur som beskrives i USP 5,139,541, vars beskrivning i sin helhet införlivas häri genom referens.

Konstruktionen av membranbäraren 10 enligt föreliggande uppfinning är som visas på fig. 1 en skivforrnig del utformad att kontakta den väteinnehållande gasen med båda sina ytterytor. Den exponerade ytterytan 12 på folien klämmes fast under den yttre ringen 13 på ett sätt som beskrives utförligare härefter. Mitthålet står i förbindelse med skivans inre utrymme för avlägsnande av vätet. Baksidan på skivan (icke visad) är identisk såsom synes på ñg. 2 och 2A. Den inre bärarskivan har ett hål som motsvarar den centrala bärarstrukturen 21.

Skivan 20 har en fast omkrets som visas i genomskärning vid 25. I skivan anordnade kanaler sträcker sig radiellt utåt från mitthålet och slutar vid kanten på den yttre Omkretsen. Kana- lemas kanter visas schematiskt vid t ex 27, 28 och 29. Folien 30 uppbäres på båda sidor av skivan 10. Väte transporteras från skivans 10 yttre genom folien 30 och in i en kanal 35 i bärarskivan varifrån det kan avlägsnas genom en central ledning (icke visad) då kanalemas kanter (t ex 28, 29 och 30) står i förbindelse med öppningen (hålet 15) och den centrala led- ningen. Andra sätt för utmatning av vätet kan anordnas, d v s såsom rärmor i stället för kanaler eller texturering av ytan eller liknande.

Som tidigare beskrivits är skivans kantstruktur kritisk för att få en gastät försegling.

Likaledes uppbäres folien företrädesvis på ett inert tyg såsom vävda glasfibrer eller vävt eller non woven (flor) keramiskt material. Med hänvisning nu till ñg. 3 är bärarskivan 20 täckt på båda sidor med ett lager av inert tyg 31. Den väteperrneabla metallmembranfolien 30 lägges över tyget 30. Ett par bäraningar 36 och 37 av plåt är fastsatta på bärarskivan 20 runt dess periferi för att inte täppa till kanalema. De sneda båtar-ringarna 36 och 37 är dimensionerade så att de når och bildar en kant. Folien 30 och 32 är placerad så att den ligger över tyget 31 som vilar på bärarskivan 20. Ett par "fängringar" 40 och 41 har en storlek som överens- stämmer med bärarringarna 36 och 37 respektive och fångar in folien 30 och 32 mellan bärarringarna 36 och 37 och fångringarna 40 och 41. En svetsfog 50 håller samman alla ring- arna. Skivan 20, fángringama 40 och 41 och bärarringarna 36 och 37 är alla gjorda av material som är förenliga med miljön för slutanvändningen av membranskivorna.

Denna uppfinning skiljer sig från nuvarande teknik genom att minska den totala längden på svetsade eller förseglande förbindningar för ett givet membranpar med jämförbara ytterdiarnetrar. Uppfinningen medger också dimensionsändringar på grund av de olika värme- utvidgningskoefficienterna för de material som användes till de svetsade fogarna och dimen- sionsändringar som uppstår när membranmaterialet mättas med väte vilket sker oberoende av 10 15 20 25 30 5 2 6 4 2 5 En: z--š .-, _;--,¿:::_-"_==::_ 7 andra komponenter i konstruktionen. Detta minskar ytterligare påkänningarna på membranet i drifttillstånd. Vidare tillåter denna typ av fog val av billigare konstruktionsmaterial som inte är någon fysisk del av svetsfo gen vilket ytterligare minskar tillverkningskostnaden.

Tillverkningen av dessa delar till en färdig konstruktion åstadkommes genom att spänna samman delarna i en svetsfixtur. Membranmaterialet pressas mellan bottenmembran- bäraren och membranets täckringar genom sarnmariklärnningen svetsfixturen så att de yttre kanterna hålles tätt tillsammans i tät kontakt med membranet. Denna sammanklämda kon- struktion sarnmansvetsas sedan i den yttre omkretsen. Den enda svetssträngen smälter sam- man de yttre kanterna på de övre och nedre membranemas bärarringar, de övre och undre membranerna och de övre och undre membrantäckringama till en läckningsfii enhet.

Den ifrågavarande svetssträngen kan åstadkommas på ett flertal vanliga sätt, inklu- derande men inte begränsade till svetsning med laser, elektronstråle och volfrarn-inertgas (TIG). Strängen kan svetsas med eller utan tillsats av fyllmaterial till svetszonen. Denna typ av svetsning kan ha andra tillämpningar som fordrar svetsning av tunna metallfolier för andra användningar förutom den beskrivna membrantillämpningen.

En konstruktion med 43 individuella skivor framställda som beskrivits ovan, inne- hållande approximativt 24 kvadratfot total membranyta användes vid 300°C och 600 psig i totalt 200 timmar utan någon märkbar minskning av väteseparationen. Konstruktionens ut- gångssida drevs med ett tryck från omkring 15 till 30 psig och utsatte konstruktionen för ett differentialtryck tvärs över varje membran på 570-585 psig. Konstruktionen utsattes också för omkring 30 drificykler från rumstemperatur och tryck till de ovannärrmda temperaturema och trycken utan fel på den svetsade strängen.

Begränsningama för att bibehålla svetsens ofördärvade skick och sålunda en henne- tiskt tillsluten svetsfog år primära för materialvalet till bottnens bärarringar och toppens täck- ringar som är förenliga med den tunna metallfolie som svetsas och valet av utrustningens rik- tiga svetsparametrar för svetsningen.

Fig. 5 och 6 illustrerar ett utförande av fluidumseparationskonstruktionen 110 enligt uppfinningen, där fig. 6 är en exploderad vy av den på fig. 5 visade konstruktionen 110.

Fluidumseparationskonstruktionen 110 innehåller första membranhållare 112, en omslutande membrandel 114, en första rnembranpackning 116, en första trådnätsmembranbärare 118, andra membranhållare 120, en slitsad genomgångsplåt 122, en genomsläppningssarg 124, en andra trådnätsmembranbärare 128, en andra membranpackning 130 och en utvändig mem- branunderdel 132. l ett utförande kan de första hållama 112 vara huvudsakligen platta ringar med en ytterdiameter lika med diametern på de omslutande och utvändiga membrandelarna 10 15 20 25 30 8 112 och 132 och en tjocklek på mellan approximativt 0,001 tum och 0,060 tum. De första membranhållarna 112 har vardera en centralt placerad öppning 113 och 135. De första mem- branhållarna 112 kan vara gjorda av Monel 400 (UNS N 04400), men även andra material kan användas som är förenliga med den nedan diskuterade svetsningen. Det skall också nänmas att medan de första hållama 112 visas som innehållande huvudsakligen ringformiga delar kan de ha andra önskade former och andra tjocklekar utan att falla utanför ramen och andan i föreliggande uppfinning. i Fig. 7 är en exploderad vy av en omslutande genomsläpplig membranunderdel 114. I detta utförande innehåller membranunderdelen 114 ett omslutande packningssäte 136, ett vä- tegenomsläppligt membran 138, en membraninnerpackning 140 och en central bärarbricka 142. I detta utförande har det omslutande packningssätet 132 en huvudsakligen plan ring 144 med en upphöjd kant 146 som sträcker sig nmt ringen 144 och en mittre öppning 145. Även om detta utförande med packningssäten med denna utfomming visas kan det finnas andra geometrier för packningssäten som är specifika för andra packningskonfigurationer eller ma- terial och som kan användas utan att falla utanför uppfinningens ram. Det omslutande pack- ningssätet 136 kan vara gjort av Monel 400, men andra material såsom nickel, koppar, nickel- legeringar, kopparlegeringar eller andra legeringar som lämpar sig för sammansmältning med det valda membranmaterialet under svetsningen kan användas. I detta utförande är det väte- genomsläppande membranet 138 huvudsakligen plant med en cirkulär konfiguration, motsatta sidor 148 och en central cirkulär öppning 150. Membranets innerpackning 40 är också en plan ring med en central öppning 151. Även i detta utförande kan innerpackningen 140 vara gjord av Monel 400 (UNS N 04400), men även andra material såsom nickel, koppar, nickel- legeringar, kopparlegeringar eller andra legeringar som lämpar sig för kompatibel samman- smältning med det valda, genomsläppliga membranmaterialet under svetsningen kan använ- das. Den centrala bärarbrickan 142 är en plan ring med en central öppning 153. Brickan 142 kan vara gjord av Monel 400 (UNS N 04400), men även andra material kan användas såsom nickel, koppar, nickellegeringar, kopparlegeringar eller andra legeringar som lämpar sig för kompatibel sammansmältning med det valda, genomsläppliga membranmaterialet eller lege- ringen under svetsning.

Med hänvisning åter till fig. 6 är i detta utförande de första och andra membranpack- ningarna 116 och 130 båda plana ringar med en central öppning 155 och 157 respektive. I detta utförande kan de första och andra membranpackningarna 116 och 130 vara gjorda av Mone1400 legering (UN S N 004400), nickel, koppar, nickellegeringar, kopparlegeringar eller andra ädelmetallegeringar eller andra legeringar förenliga med den svetsning som användes 10 '15 20 25 30 5 2 6 4 2 5 i E 9 för att rena komponentema i fluidumseparationskonstruktionen 110 och som diskuteras ne- dan. De första och andra membranpaclmingarna 116 och 130 kan ha en tjocklek på mellan approximativt 0,0005 tum till 0,005 tum. Andra packningstjocklekar kan emellertid användas. Även i detta utförande är de första och andra trådnätsmembranbärarna 118 och 128 plana och ringformiga med centrala öppningar 152 och 154 respektive. Membranbärarna 118 och 128 kan vara gjorda av 316L rostfritt stållegering med ett masktal på approximativt 19 till 1000 maskor per tum, varvid masktalet är valt för att kunna stöda de väteperrneabla membranen 136 och 162. Vävningen kan vara standard tvåskañ fyrkantväv, kypert fyrkant, rektangulär tvåskafi eller kypert eller triangulär tvåskafi eller kypert. Ett exempel på ett masktal som kan användas är 49 maskor per tum. Trådnätsmembranbärama 118 och 128 kan vara gjorda av stållegeringar, legeringar av rostfritt stål, nickellegeringar eller kopparlegeringar. Trådnätet kan vara belagt med en turm film som förhindrar intennetallisk diffusionsbindning (d v s en intennetallisk diffusionsbindningsbarriär). Denna kan vara en tunn fihn innehållande minst en oxid, nitrid, borid, silicid, karbid, eller aluminid och kan påläggas på ett antal vanliga sätt in- kluderande men inte begränsade till fysikalisk förångningsbeläggning (PVD), kemisk förång- ningsbeläggning och plasmaförstärkt förångningsbeläggning. Exempelvis kan reaktiv förstoft- ning, en forrn av PVD, användas för att pålägga en tunn oxidfilm på mellan approximativt 600-700 Ångström på trådnätsmembranbärarna 118 och 128. Flera oxider, nitrider, borider, silicider, karbider och aluminider kan också användas till den tunna filmen liksom andra tun- na filmer som är tänkbara för sakkunniga personer. Användning av denna form av PVD resulterar i en tät, amorf, tunn film med approximativt samma mekaniska styrka som bulk- tunnfilrnsmaterialet. Även i detta utförande är de andra membranhållarna 120 huvudsakligen plana ringar.

En hållare 120 har en central öppning 159 och en 120 har en central öppning 161. Se fig. 6.

Dessa hållare 120 kan ha samma tjocklek som de första och andra trådnätsmembranbärama 118 och 128. De andra membranhållama 120 kan vara gjorda av ett material som är kom- patibelt med svetsen som diskuteras nedan, såsom Monel 400 (UNS N 004400) och nickel, koppar, nickellegeringar, kopparlegeringar, ädelmetaller eller legeringar, eller andra lege- ringar som är lämpliga sig för kompatibel fusion med det valda, membranmaterialet eller legeringen under svetsningen kan användas.

I detta utförande är den slitsade genomsläppningsplåten 122 en stålplåt med flera slit- sar 156 som sträcker sig radiellt och utåt från en central öppning 158 i riktning mot plåtens 122 periferi. Antalet slitsar 156 i en slitsad plåt 122 kan vara från approximativt 10 till 72.

Emellertid kan andra lämpliga slitstätheter vara tänkbara. Genomsläppningsplåtens sarg 124 10 15 20 25 30 5 2 6 4 2 5 gg š3=_-"ï*â'_'_= 10 är en huvudsakligen plan ring med en central öppning 138 och en innerdiameter större än ytterdiametem på den slitsade plåten 122. Plåtsargen 124 är gjord av Monel 400 (UNS N 04400) men även andra material kan användas såsom nickel, koppar, nickellegeringar, kop- parlegeringar, ädelmetaller eller legeringar eller andra legeringar som är lämpliga för kompa- tibel fusion med det valda membranmaterialet eller legeringen vid svetsning.

Fig. 8 är en exploderad vy av den utvändiga permeabla membranunderdelen 132.

Denna membrankonstruktion 132 innehåller ett utvändigt packningssäte 160, en vätepermea- bel membran 162, en inre membranpackning 164 och en mittre bärarbricka 166. De väteper- meabla membranen 138 och 162 kan vara gjorda av minst en väteperrneabel metall eller en legering innehållande minst en vätepermeabel metall, företrädesvis vald från övergångsme- tallema i gruppen VIIB eller VIIB i det periodiska systemet. Det vätepermeabla membranet 162, den inre membranpackningen 164 och den mittre bärarbrickan 166 har samma struktur som det vätepermeabla membranet 138, den inre membranpackningen 140 och den mittre bärarbrickan 142, respektive, som diskuterats ovan. Det utvändiga packningssätet 160 är en huvudsakligen plan ring 168 med ett cirkulärt utsprång 170 som sträcker sig runt en mittre öppning 172. I detta utförande är det omslutande packningssätet 136 och det utvändiga pack- ningssåtet 160 gjorda av ett legeringsmaterial med hög styrka som är kompatibelt med svets- ningen, såsom Monel 400. De inre membranpackningarna 140 och 164 är gjorda av samma material som de första och andra yttre membranpackningarna 116 och 130 som diskuterats ovan.

Fig. 9 till 11 är olika tvärsnitt av den sammansatta fluidumseparationskonstniktionen 110 enligt uppfinningen, där fig._.8 .är en förstorad vy av sektion A i fluidumseparations- konstruktionen 110 visad på fig. 9, och fig. 11 är ett tvärsnitt genom den hopsatta fluidum- separationskonstruktionen 110. Vid hopsättning av komponenterna i fluidumseparationskon- struktionen 110 på fig. 6-8 samrnansättes först den omslutande membranunderdelen 114 och den utvändiga membranunderdelen 132. Det omslutande packningssätet 136, det permeabla membranet 138, den inre membranpackningen 140 och den mittre bärarbrickan 132 placeras intill varandra såsom visas på fig. 11 så att deras mittre öppningar 145, 150, 151 och 153 res- pektive är i linje koaxiellt. En första svets 171 visad på fig. 11 är placerad i öppningama. Den första svetsen 171 har formen av en svetssträng som skapar en hermetisk försegling mellan det omslutande packningssätet 136, det permeabla membranet 138, den inre membranpack- ningen 140 och den mittre bärarbrickan 142. Svetsen 171 kan göras på flera kommersiellt vanliga sätt, inkluderande men inte begränsade till laser, elektronstråle- och TIG-svetsning.

Altemativ teknik såsom hårdlödning eller lödning kan också användas där det önskade resul- 10 15 20 25 30 5 2 6 45 ggr _ f; 5:: _ 11 tatet blir en gastät íörbindning mellan packningssätet 136 och det permeabla membranet 138.

Likaledes är komponentema i det utvändiga membranets underdel 138, som inkluderar det utvändiga packningssätet 160, det permeabla membranet 162, den inre membranpackningen 164 och den rnittre bärarbrickan 166 också placerade intill varandra, som visas på fig. 11, så att deras mittre öppningar 172, 181, 183 och 184 är koaxiellt i linje med varandra och en and- ra svetssträng 173 visad på fig. ll är placerad runt omkretsen på öppningarna 172, 181, 183 och 184. Som angivits ovan kan svetsningen 173 göras på flera kommersiellt vanliga sätt, inkluderande med inte begränsade till laser, elektronstråle och TIG-svetsning.

Sedan komponenterna i den omslutande membranunderdelen 114 och komponen- tema i den utvändiga membranunderdelen 132 har sammanfogats med svetsarna 171 och 173 respektive sättes de samman med de andra komponenterna som beslqivits ovan till att bilda fluidumseparationskonstruktionen 110. Som visas på fig. 6 är de första och andra hållama 112 och 120, de omslutande och utvändiga membranunderdelarna 114 och 132, de första och and- ra yttre packningarna 116 och 130, de första och andra trådnätsmembranbärarna 118 och 128, den slitsade genomsläppande plåten 122 och den genomsläppande sargen 124 är i linje med varandra så att deras mittöppningar är koaxiellt i linje. Som visas på fig. ll kvarhålles dessa komponenter i denna konfiguration genom en svets 174 vid den yttre omlaetsen på de första och andra hållarna 112 och 120, de omslutande och utvändiga membranunderdelama 114 och 132, de första och andra yttre membranpackningarna 116 och 130, och den slitsade genom- släppande sargen 124. Alternativt kan dessa delar vara hopfogade så att deras rnittre öppning- ar är koaxiellt i linje, som visas på fig. 11 och förenade med varandra genom en lödning eller hårdlödning vid yttre omkretsen på de första och andra hållarna 112 och 120, de omslutande och utvändiga membranunderdelama 114 och 132, de första och andra yttre membranpack- ningarna ll6 och 130 och den slitsade genomsläppande sargen 124. Som synes på fig. 10 finns ett mellanrum mellan den slitsade genomsläppande plåten 122 och den genomsläppande sargen 124 som tillåter utvidgning och sammandragning av komponentema i fluidumsepara- tionskonstruktionen 110 resulterande från temperaturändringama. Hopsatt kan fluidumsepara- tionskonstruktionen 110 ha en tjocklek från 0,010 tum till 0,125 tum, beroende på de använda komponenternas tjocklek.

Vid separering av vätet från en blandning av gas innehållande väte riktas gasbland- ningen mot de permeabla membranen 138 och 162 i den omslutande membranunderdelen 114 och den utvändiga membranunderdelen 132 respektive i riktningama D och E, som visas på fig. 11. För tydlighetens skull visas de permeabla membranen 138 och 164 i de omslutande och utvändiga membranunderdelama 114 och 132 respektive som visas på fig. 11 som på av- 10 15 20 25 30 stånd från de första och andra membranbärama 118 och 128, men vid användning är emel- lertid de perrneabla membranen 138 och 162 i kontakt med de första och andra membran- bärama 118 och 122 och uppbuma genom dem. När gasblandningen som innehåller väte kommer i kontakt med de vätepenneabla membranen 138 och 162 tränger vätet igenom de permeabla membranen 138 och 162, passerar genom de första och andra membranbärarna 118 och 128 och kommer in i den slitsade genomsläppande plåten 122 där vätet kommer in i en specifik slits 156 och riktas mot mittaxeln C genom de passager som bildas av slitsarna 156.

De mittre öppningarna i fluidumseparationskonstruktionen 110, visade på fig. 6, bildar en ledning 180 där det renade vätet uppsamlas och transporteras till ett önskat ställe. Ledningen 180 kan ha en diameter mellan approximativt 0,25 tum och 1 tum. Diarnetem bestämmes av komponenterna i separationskonstruktionen 110 och av önskemålet att väteströmmen skall vara huvudsakligen obehindrad. De andra gasema i gasblandningen än väte förhindras från att komma in i fluidumseparationskonstrulrtionen 110 av de fluidurnpenneabla membranen 138 och 162. Återstoden av den på väte utarmade gasblandningen riktas runt omkring väte- separationskonstruktionens 1 10 yttre i detta utförande.

Fig. 12 och 13 illustrerar en modul 185 som använder flera fluidumseparationskon- struktioner 110 enligt föreliggande uppfinning, där fig. 13 är ett förstorat avsnitt B av mo- dulen 185. Var och en av fluidumseparationskonstruktionema 110 visas som en fast kropp för tydlighetens skull. Var och en av fluidumseparationskonstruktionema 110 är emellertid sam- ma som de på fig. 5-11 visade fluidumseparationskonstruktionerna. Modulen 185 har ett gas- mamingsinlopp 191, en utlopp 190 för genomsläppt gas och ett utlopp 193 för avloppsgas. fluidumseparationskonstruktionema 110 är i linje koaxiellt. Distributionsplåtar 187 är lami- nerade mellan fluidumseparationskonstruktionerna 110 och skiljer dem åt. Distributionsplå- tama 187 är placerade på en ansats på packningssätena 136 på sådant sätt att de blir belägna på lika avstånd från planytan på de perrneabla membranen 114 och 132 i successiva fluidum- separationskonstruktioner 110, Distributionsplåtama 187 är inte fast förbundna med pack- ningssätena 136 och 160 utan vilar i stället på en kant på packningssätet 136. Det är tillräcklig frigång mellan den mittre öppningen på distributionsplåten 187 och ansatsen på det omslu- tande packningssätet 136 så att plåtarna 187 och separationskonstruktionema 110 rymmes in- nanför väggen på membranhuset oberoende av fluidumseparationskonstruktionemas 110 läge.

Varje distributionsplåt 187 har öppningar 189. Fluidumseparationskonstruktionema 110 är i linje med varandra så att alla ledningarna 180 i fluidumseparationskonstruktionerna 110 kan bilda en större ledning 190. Vägen för gasblandningen som innehåller väte, representerad av pilen G mynnar i öppningen 189 och går längs den yttre ytan på väteseparationskon- 10 15 5 2 6 4 2 5 .: g; -"::II_ 13 struktionen 110 där en del av vätet i gasblandningen blir fritt att komma in i vätesepara- tionskonstruktionen 110 genom de penneabla membranen 138 och 162 och riktas längs vägen F in i den större ledningen 190 medan den återstående gasblandningen följer pilen G och slingrar sig genom den passage som bildas av distributionsplåtarna 187, väteseparations- konstruktionema 110 och modulens 185 inre vägg 192. Då gasblandningen går genom passa- gen kommer den i kontakt med den yttre ytan på flera andra fluidumseparationskonstruktioner 110 där mera av det i gasblandningen kvarvarande vätet tränger igenom det permeabla mem- branet 138 och 162 och följ er vägen F så att detta renade väte kommer in i den större ledning- en 190. Återstoden av den på väte utarmade gasblandningen går ut genom en port 193 lo- kaliserad i den motsatta änden på modulen 185 sedan den strömmat över hela stapeln av flui- dumseparationsmembrankonstmktioner 1 10. Även om föreliggande uppfinning har beskrivits i samband med de ovan beskrivna utíörandena är det väntat att många modifikationer och variationer kan utvecklas. Denna be- skrivning och de åtföljande patentkraven är avsedda att täcka alla sådan modifikationer och variationer.

Claims (37)

10 15 20 25 30 526 425 :to o n o o oc 0 o v o 14 Patentkrav

1. Vätepermeabel membranseparationsmodul innehållande en genomsläpplig skiva (20) med ett ogenomträngligt band (25) runtom sin ytterkant, och med en toppyta och en bottenyta och hålrum (35) i förbindelse med en uppsamlingskarrirnare (15) lokaliserad vid skivans mitt, två genomsläppliga oorganiska barriärer (31) liggande över den genomsläppliga skivan på både topp och bottenytorna, två vätepenneabla metallmembran (30) liggande över den genomsläppliga oorganiska barriären som slutar utanför skivan, två cirkulära bärarringar (36, 37) liggande ovanför skivans ogenomsläppliga band varvid barriären slutar på skivan innanför dess yttre omkrets och gränsar till de cirkulära bärarringarna, membranets yttre omkrets vilar på bärarringarna och fångringar (40, 41) ligger på membranen och slutar med sin periferi på membranen och bärarringarna och en svetssträng (50) förbinder de yttre fangringarna, membranen och bäraxringarna på ett fluidumtätt sätt så att väte kan passera genom membranen, barriären och hålrurnmen i den genomsläppliga skivan och uppsamlas centralt i konstruktionen.

2. Fluidumseparationskonstruktion innehållande: a. en genomsläppande plåt (122) innefattande en första yta, en andra yta, ett fluidumutlopp (158) och fluidumpassager (156) vilka sträcker sig från den första ytan och andra ytan till fluidumutloppet; b. första och andra trådnätsmembranbärare (118, 128) intill den första respektive andra ytan hos den genomsläppliga plåten, där var och en av den första och andra trådnätsmembranbäraren innefattar ett trådnät innefattande en beläggning vilket utgör en interrnetallisk diffusionsbindande barriär och har en öppning (152, 154) i linje med fluidumutloppet i den genomsläppande plåten; och c. första och andra fluidumpermeabla membran (138, 162), där det första fluidumpermeabla membranet är intill en yta hos den första trådnätsmembranbäraren motsatt den genomsläppande plåten, det andra fluidumpermeabla membranet är intill en yta hos den andra trådnätsmembranbäraren motsatt den genomsläppande plåten, varvid vart och ett av det första och andra fluidumpermeabla membranet har en öppning (150, 181) i linje med fluidurnutloppet. 10 15 20 25 30 526 475 rara; ans. =°°==:: ="=°':= 15

3. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, vari den intennetalliska diffusionsbindande barriären innehåller en förening från den gmpp som består av nitrider, oxider, borider, silicider, karbider och aluminider. vari den intermetalliska

4. Fluidurnseparationskonstruktion enligt krav 3, diffusionsbindande barriären innehåller en oxid eller en nitrid.

5. Fluidumseparationskonstrirktion enligt krav 2, vari öppningama i de fluidumperrneabla membranen och rnembranbärama och utloppet i den genomsläppande plåten är centralt anordnade och i linje koaxiellt bildande en central ledning (180).

6. Fluiduinseparationskonstrimtion enligt krav 5, vari de fluidumpermeabla membranen, membranbärarna och den genomsläppande plåten är väsentligen plana och ringforrniga, den genomsläppande plåten innefattar slitsar definierande fluidumpassagen och slitsamna är anordnade radiellt.

7. Fluiduniseparationskonstruktion enligt krav 2, vari trådnätsmembranbärarna har en masktäthet mellan approximativt 19 till 1000 maskor per tum (2,54 cm).

8. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, även innefattande en hermetisk íörsegling perifert till membranen, membranbärarna och den genomsläppande plåten.

9. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, vari de fluidumperrneabla membranen är genornsläppliga för väte.

10. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, vari-de fluidumperrneabla membranen innefattar palladiurn eller en palladiurnlegering.

11. ll. Fluídumseparationskonstruktion enligt krav 2, vari trådnätsmernbranbäraren innefattar rostfritt stål.

12. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, där var och en av de fluidumperrneabla membranerna ytterligare innefattar ett packningssäte (136, 160), en membranpackning (140, 164) och en bricka (142, 166) för att bilda en första och andra membranunderdel (114, 132), 10 15 20 25 30 526 425 rfigšgag 16 där packningssätena, membranpackningarna och brickorna är sammansatta till de fluidumpenneabla membranen.

13. Fluidurnseparationskonstruktion enligt krav 12, ytterligare innehållande en svetssträng (174) förbunden med var och en av de forsta och andra membranunderdelarna.

14. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, ytterligare innehållande första hållare (112), med en av de första hållarna förbunden med var och en av de fluidumpermeabla membranen.

15. Fluidurnseparationskonstruktion enligt krav 14, ytterligare innehållande andra hållare (120) intill den slitsade genomsläppande plåten.

16. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 14, ytterligare innehållande första hållare, med en av de andra hållama intill var och en av de fluidumpermeabla membranen.

17. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2, ytterligare innehållande packningar (116, 130) där en av packningarna är intill var och en av trådnätsrnembranbärarna.

18. Fluidumseparationskonstruktion innehållande: en slitsad genomsläppande plåt (122) med motsatta ytor, (1 18, 128) trådnätsmembranbärarna har en första yta och en andra yta, där var och en av första och andra trådnätsmembranbärare där var och en av trådnåtsmembranbäramas första ytor är intill den slitsade plåten, första och andra membran (138, 162) permeabla för ett önskat fluidum, med var och en av de penneabla membranen intill en av trâdnätsmembranbärarnas andra ytor, en genomsläppli g sarg (124) som omger den slitsade plåten, första hållare (112) intill var och en av de perrneabla membranen, andra hållare (120) intill den slitsade plåten och, trådnätsmembranbärama, och packningar (116, 130) mellan var och en av trådnätsmembranbärarna och de perrneabla membranen, där den genomsläppliga sargen, de första hållama, de andra hållama, de penneabla membranen och packningama är sammanfogade vid sina periferier. 10 15 20 25 30 526 425 šII=*'I=š .z"a:ïï..ss -: 17

19. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, vari den genomsläppande packningen, de första hållarna, de andra hållama, de perrneabla membranen och packningama är sammanfogade med en svetssträng (174) vid sina periferier.

20. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, ytterligare innehållande ett omslutande packningssäte (136), en membranpackning (140) och en bricka (142), där det omslutande packningssätet, membranpackningen och brickan är förbundna med en av de permeabla rnembranen och innehåller en omslutande membranunderdel (114).

21. Fluidurnseparationskonstruktion enligt lcrav 20, ytterligare innehållande ett utvändigt packningssäte (160), en membranpackning (164) och en bricka (166), där det utvändiga packningssätet, membranpackningen och brickan är förbundna med den andra av de fluidumperrneabla membranen och innehåller en utvändig membranunderdel (132).

22. F]uidurnseparationskonstruktion enligt krav 21, där vart och ett av packningssätena, membranpackningama, brickorna och de penneabla membranen har en centralt placerad öppning (145, 151, 153, 150 respektive 172, 183, 184, 181) och öppningama är koaxiellti linje och första och andra svetssträngar sammanfogar i varje underdel.

23. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, där var och en av två de första och andra trådnätsmembranbärarna har en beläggning som utgör en intermetallisk diffusionsbindande barriär.

24. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 23, där den interzmetalliskt diffirsions- bindande barriären är en tunn filrn innehållande minst en av den grupp som består av oxider, nitrider, borider, silicider, karbider och aluminider.

25. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, vari de första hållarna, de andra hållama, packningama, den genomsläppande sargen och de första och andra trådnätsrnembranbärania är sarnmanfogade vid sina periferier.

26. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, där en svetssträng är lokaliserad vid periferiema på var och en av de Första hållarna, de andra hållama, packningarna, den genomsläppliga sargen och de första och andra trådnätsmembranbärarna. 10 15 20 25 30 595 .... .. 4 2 5 , _.. 18

27. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, där var och en av de första och andra trådnätsmembranbärarna är rostfritt stål.

28. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18, där var och en av de första och andra trådnätsmembranbäraina har masktätheter från approximativt 19 till 1000 maskor per tum (2,54 cm).

29. Fluidumseparationskonstniktion enligt krav 18, där var och en av de första och andra trådnätsmembranbärarna har masktätheter från 49 till 1000 maskor per tum (2,54 cm).

30. Fluidumseparationskonstruktion enligt krav 26, där var och en av de permeabla membranen och den slitsade genomsläppliga plåten har centralt placerade öppningar (150, 181, 158) som bildar en ledning (180).

31. Fluidumseparationsmodul innefattande ett flertal fluidumseparationskonstruktioner enligt krav 18.

32. Sätt att separera ett önskat fluidum från en fluidumblandning innefattande: a. anordnande av en fluidumseparationskonstruktion enligt krav 2 och b. kontakta de fluidumperrneabla membranen i fluidumseparationskonstmktion med fluidumblandningen.

33. Sätt enligt krav 32 , vari den intermetalliska diffusionsbarriären innehåller en förening vald från den grupp som består av oxider, nitrider, borider, silicider, karbider och aluminider.

34. Sätt enligt krav 32, vari trådnätsmembranbärarna utgörs av ett rostfritt trådnät med en masktäthet från approxirnativt 19 till 1000 maskor per tum (2,54 cm).

35. Sätt att göra en fluidumseparationskonstruktion, innefattande a. åstadkomma en fluidumseparationskonstruktion enligt krav 18; och b. hermetiskt försegla den första hållaren, packningen och den andra hållaren vid deras peri- ferier. 5 2 5 4 2 5 . fzsïï. "ii 19

36. A36. Sätt enligt krav 35, vari den intennetalliska diffusíonsbarriären innehåller en förening vald från den grupp som består av oxider, borider, silicider, karbider, aluminider och nitrider.

37. Sätt enligt krav 35, vari trådnätsmembranbäraren utgörs av ett rostfritt stålnät med en masktäthet approximativt från 19 till 1000 maskot per tum (2,54 om).