[发明专利]金属和陶瓷管道之间的密封

说明书

关于联邦政府资助的研究或者研发的声明

本发明基于DOE合作协议DE-FC26-98FT40343至少部分地受到美国能源部的资助而做出。美国政府在本发明中具有一定的权利。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

发明概述

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。

如下概述了所述密封的几个方面。

第一方面。密封，包括：

陶瓷管道的密封表面；

金属管道的密封表面；

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

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；

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

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。

第二方面。密封，其由以下构成：

所述陶瓷管道的密封表面；

所述金属管道的密封表面；

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

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；

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。