DE19983751B4

DE19983751B4 - Wasserstoff-Abtrennungs-Membran

Info

Publication number: DE19983751B4
Application number: DE19983751T
Authority: DE
Inventors: Chester B. Corvallis Frost; Brett R. Lebanon Krüger
Original assignee: ATI Properties LLC
Current assignee: ATI Properties LLC
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: KR20010086015A; DK201070550A; FI20010984A; DK200100737A; ES2199663B1; CA2351191A1; EP1137477B1; WO2000027507A1; US20030033933A1; SE526425C2; AU1815800A; ES2199663A1; EP1137477A1; JP2002529220A; DE19983751T1; DK178650B1; US6582499B2; DK177264B1; KR100592625B1; AU767080B2

Abstract

Für Wasserstoff durchlässiger Membran-Trennungs-Modul, der umfasst eine perforierte Scheibe, die einen nicht-perforierten Ring aufweist, der um den Umfang der Scheibe herum und an dem äußeren Rand derselben angeordnet ist und eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche und Hohlräume aufweist, die mit einer Sammelkammer in Verbindung stehen, die im Zentrum der Scheibe angeordnet ist,
zwei perforierte anorganische Sperrschichten, die über der genannten perforierten Scheibe sowohl auf der oberen Oberfläche als auch auf der unteren Oberfläche liegen,
zwei für Wasserstoff durchlässige Metallmembranen, die auf der genannten perforierten anorganischen Sperrschicht liegen und jenseits des äußeren Umfangs der perforierten Scheibe enden,
zwei kreisförmige Trägerringe, die auf dem nicht-perforierten Ring der genannten Scheibe liegen, wobei die genannte Sperrschicht auf der Scheibe kurz vor dem äußeren Umfang derselben endet und an die kreisförmigen Trägerringe anstößt, wobei der äußere Umfang der genannten Membran von den Trägerringen aufgenommen wird, und
Einfassungsringe, die von...

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluidmischung. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung allgemein gerichtet auf eine Fluid-Trennungs-Anordnung, die eine für ein gewünschtes Fluid durchlässige Membran und einen Drahtgitter-Membranträger aufweist, der die durchlässige Membran trägt und eine Sperrschicht aufweist, die eine intermetallische Diffusionsbindung verhindert. Diese Erfindung bezieht sich auf Metallmembranen, die zur Abtrennung von Wasserstoffgas von einem Gemisch von Gasen verwendet werden.
2. Beschreibung des Hintergrundes der Erfindung
Es wurde bereits gezeigt, dass mehrere Metallfolien geeignet sind für die Abtrennung von Wasserstoffgas von einer Gasmischung durch einen Mechanismus der Diffusion oder des Transports von Wasserstoffionen oder Protonen durch die normalerweise nicht-poröse Metallfolie, wobei molekularer Wasserstoff gewonnen (abgetrennt) werden kann auf der Seite der Folie, die der Seite gegenüberliegt, die mit der Gasmischung in Kontakt steht. In vielen Arbeiten auf diesem Gebiet sind bereits unterschiedliche Metalle, Metall-Legierungen und unterschiedliche Strukturen verwendet worden, um die Abtrennung der Wasserstoffkomponente einer Gasmischung zu optimieren oder Wasserstoff unter einer großen Vielzahl von Bedingungen, wie sie in einem Wasserstoff enthaltenden Gasstrom vorliegen können, oder in der Nähe der Bedingungen für die Wasserstoffproduktion, zu reinigen. Die US-Patente 3 238 700 (Johann G.E. Cohn) und 3 172 742 (Leonard R. Rubin) sind Beispiele für die ersten Arbeiten auf diesem Gebiet, bei denen Palladium-Legierungen verwendet wurden, um einige der nachteiligen Veränderungen zu beseitigen, die in der Metallfolie auftreten können, wenn diese in Gegenwart von Wasserstoff beträchtlichen Temperatur-Änderungen unterworfen ist, wie sie in der Regel in Gasphasen-Reaktionen, beispielsweise der Wassergas-Verschiebungs-Reaktion (mit Wasserdampf über erhitztem Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Materialien) oder bei der Zersetzung von Wasserstoff enthaltenden Verbindungen ( kanadisches Patent Nr. 579 535 ) auftreten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine einen Träger aufweisende, eine für Wasserstoff durchlässige Metall- oder Metall-Legierungsfolie enthaltende Struktur bereitzustellen, die erfolgreich in Umgebungen arbeiten kann, wie sie bei der Wasserstoffproduktion vorliegen und die auch geeignet ist für die Abtrennung von Wasserstoff von Gasströmen, die Wasserstoff enthalten, die auf beliebige Weise erhalten worden sind.
Im allgemeinen wird dann, wenn ein Gas von einer Mischung von Gasen durch Diffusion abgetrennt wird, die Gasmischung in der Regel mit einer nicht-porösen Membran in Kontakt gebracht, die selektiv durchlässig ist für das Gas, das von der Gasmischung abgetrennt werden soll. Das gewünschte Gas diffundiert durch die durchlässige Membran hindurch und wird von dem übrigen Gasgemisch abgetrennt. In der Regel entsteht ein Druckgefälle zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten der durchlässigen Membran, so daß der Diffusionsprozess wirksamer abläuft, wobei ein höherer Partialdruck des abzutrennenden Gases auf der Seite der Gasmischung der durchlässigen Membran aufrechterhalten wird. Für die Gasmischung und die selektiv durchlässige Membran ist es auch wünschenswert, bei erhöhten Temperaturen gehalten zu werden, um die Abtrennung des gewünschten Gases von der Gasmischung zu erleichtern. Dieser Verfahrens-Typ kann angewendet werden zur Abtrennung von Wasserstoff von einer Gasmischung, die Wasserstoff enthält. Bei dieser Anwendung ist somit die durchlässige Membran durchlässig (permeabel) für Wasserstoff und sie ist üblicherweise hergestellt aus Palladium oder einer Palladium-Legierung. Die Einwirkung von hohen Temperaturen und mechanischen Beanspruchungen, die durch das Druckgefälle erzeugt werden, erfordert, dass die durchlässige (permeable) Membran auf eine solche Weise auf einen Träger aufgebracht ist, dass der Durchgang des gewünschten Gases durch die Membran nicht verhindert wird.
Ein Typ einer konventionellen Vorrichtung, wie sie für die Abtrennung von Wasserstoff von einer Gasmischung verwendet wird, verwendet ein feuerfestes Stoffgewebe als Träger für die permeable Membran während des Abtrennungsverfahrens. Der Nachteil dieses Typs eines konventionellen Membranträgers besteht darin, dass der Stoffträger versagen kann, wenn er hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wie sie mit dem Druckgefälle verbunden sind, der erforderlich ist, um eine Diffusion durch das Membranmaterial hindurch zu bewirken.
Ein anderer konventioneller permeabler Membranträger ist eine Metallgaze-Struktur, die benachbart zu der permeablen Membran angeordnet ist. Der Nachteil dieses Träger-Typs besteht darin, dass eine intermetallische Diffusionsbindung zwischen dem Membranträger und der permeablen Membran auftritt, wenn sie hohen Drucken und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Der hohe Druck bewirkt, dass die permeable Membran und die Metallgaze zusammengepresst werden, und die hohe Temperatur bewirkt, dass die chemischen Bindungen dieser Materialien verschlechtert werden. Ein solcher unerwünschter Zustand führt zu einer Wanderung der Moleküle der permeablen Membran zu der Metallgaze-Membran und zu einer Wanderung der Moleküle der Metallgaze-Membran zu der permeablen Membran, bis zwischen diesen beiden Strukturen eine Bindung entstanden ist. Diese intermetallische Diffusionsbin dung ergibt ein Verbundmaterial, das für das Wasserstoffgas nicht mehr durchlässig (permeabel) ist.
Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluid-Mischung, die zuverlässig hohen Betriebsdrucken und -temperaturen standhalten können.
Es besteht ein weiterer Bedarf für eine permeable Membran- und Trägeranordnung für die Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluid-Mischung, wobei die permeable Membran nicht dazu neigt, zu brechen oder eine intermetallische Diffusionsbindung zu bilden.
Es besteht noch ein weiterer Bedarf für ein Verfahren zum Tragen (Stützen) einer Membran, die für ein Fluid durchlässig (permeabel) ist, wobei die Fluiddurchlässige Membran hohen Temperaturen und hohen Drucken ausgesetzt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum leichteren Verständnis und zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den beiliegenden Figuren bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wobei zeigen:
1 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Membrananordnung vor dem Verschweißen;
2 eine Draufsicht auf die Membrananordnung gemäß 1;
2A eine Schnittansicht der Membrananordnung der 2 entlang der Linien und Pfeile 2A;
3 eine partielle Schnittansicht des Randdetails der erfindungsgemäßen Membran in perspektivischer Darstellung;
4 eine teilweise weggeschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Membrananordnung;
5 eine isometrische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Fluidtrennungsanordnung;
6 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Fluidtrennungsanordnung;
7 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen weiblichen permeablen Membranunteranordnung;
8 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen männlichen permeablen Membranunteranordnung;
9 eine isometrische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Fluidtrennungsanordnung;
10 eine vergrößerte Ansicht des Schnitts A der in 9 dargestellten Fluidtrennungsanordnung;
11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Fluidtrennungsanordnung;
12 eine isometrische schematische Schnittansicht eines Moduls, in dem mehrere erfindungsgemäße Fluidtrennungsanordnungen verwendet werden; und
13 einen vergrößerten Schnitt B des in 12 dargestellten Moduls.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße, für Wasserstoff durchlässige (permeable) Membranstruktur umfasst eine scheibenförmige, auf einen Träger aufgebrachte Metallfolie, die so bemessen ist, dass sie über eine Trägerplatte oder -scheibe überlappt, wobei Produktgase durch Diffusion die Metallfolie passieren können oder durch die Metallfolie transportiert werden können, wobei die Scheibe an ihrem Umfang mit einem Paar von abgeschrägten Blechmetall-Trägerringen, die über der Trägerplatte liegen, und einem Paar von abgeschrägten Blechmetall-Einfassungsringen abgeschlossen ist, die an die Form der abgeschrägten Trägerringe angepasst sind, um die für Wasserstoff durchlässige Membranfolie dazwischen festzuhalten, wobei die Anordnung in einem Rand endet, der gebildet wird von den Rändern der Einfassungsringe und der Trägerringe mit der dazwischenliegenden Folie, wobei dieser Rand dann durch eine Schweißraupen-Verbindung sämtlicher Ringe miteinander hermetisch versiegelt wird. Die Anordnung umfasst Einrichtungen zur zentralen Entfernung des abgetrennten Wasserstoffs aus der Trägerplatte.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidtrennungsanordnung, die eine Fluid-durchlässige Membran und einen zu der Fluid-durchlässigen Membran benachbarten Drahtgitter-Membranträger aufweist, wobei der Drahtgitter-Membranträger eine eine intermetallische Diffusionsbindung verhindernde Sperrschicht aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluid-Mischung mittels einer Membran, die für das gewünschte Fluid durchlässig ist, das umfasst die Bereitstellung eines Drahtgitter-Membranträgers mit einer dazwischenliegenden Diffusionsbindungs-Sperrschicht, wobei der Drahtgitter-Membranträger benachbart zu der Fluid-durchlässigen Membran angeordnet ist, das Inkontaktbringen des Fluiddurchlässigen Membranträgers mit der Fluid-Mischung und das Inkontaktbrin gen des Drahtgitter-Membranträgers mit dem gewünschten Fluid, das die Fluid-permeable Membran durchdringt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Fluidtrennungsanordnung, das umfasst die Bereitstellung einer für das gewünschte Fluid durchlässigen Membran, die Bereitstellung eines ersten Halters, die Bereitstellung eines Drahtgitter-Membranträgers mit einer intermetallischen Diffusionsbindungs-Sperrschicht und das Anordnen desselben benachbart zu der Fluid-durchlässigen Membran, die Bereitstellung einer durchlässigen Membran benachbart zu dem Drahtgitter-Membranträger, die Bereitstellung einer Dichtung benachbart zu der Fluid-durchlässigen Membran, die Bereitstellung eines zweiten Halters, der benachbart zu dem Drahtgitter-Membranträger angeordnet ist, und das Verbinden des ersten Halters, der Dichtung und des zweiten Halters an ihren Rändern (Umfang) miteinander.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen (Tragen) einer Fluid-durchlässigen Membran, das umfasst die Bereitstellung einer Membran, die für ein gewünschtes Fluid durchlässig ist, und die Bereitstellung eines Drahtgitter-Membranträgers mit einer intermetallischen Diffusionsbindungs-Sperrschicht, wobei der Drahtgitter-Membranträger benachbart zu der Fluiddurchlässigen Membran angeordnet ist und diese trägt.
Weitere Details, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung hervor.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Vorrichtungen und Verfahren zur Abtrennung von Wasserstoff von einem Gemisch von Gasen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand einer Wasserstoffabtrennungs-Anordnung nur Erläuterungszwecken dient und dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung auch bei Verwendung anderer Strukturen und Technologien, für die solche Vorrichtungen und Verfahren zur Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluid-Mischung, die das gewünschte Fluid enthält, erforderlich sind, realisiert werden können.
Es ist ferner klar, dass die beiliegenden Zeichnungen und Beschreibungen der vorliegenden Erfindung vereinfacht worden sind, um die Elemente zu erläutern, die für ein klares Verständnis der vorliegenden Erfindung relevant sind, wobei gleichzeitig aus Gründen der Klarheit weitere (andere) Elemente und/oder Beschreibungen derselben, die in einer Wasserstoffabtrennungs-Anordnung zu finden sind, weggelassen wurden. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, dass auch weitere (andere) Elemente erwünscht sein können, um die vorliegende Erfindung durchzuführen. Da jedoch diese Elemente aus dem Stand der Technik allgemein bekannt sind und das bessere Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erleichtern, werden diese Elemente hier nicht diskutiert.
Bei der Herstellung einer Gastrennungs-Einrichtung auf Metallmembranbasis ist es erforderlich, alle möglichen Leck-Durchgänge zwischen der Beschickungsseite der Membran und der Produkt- oder Permeatseite der Membran zu eliminieren. Dies erfolgt deshalb, um die höchst mögliche Reinheit des Produktstroms aufrechtzuerhalten. In der Regel ist eine Membran, die bei diesem Typ einer Einrichtung verwendet wird, sehr dünn und infolgedessen weist sie eine geringe mechanische Festigkeit auf. Ein mechanischer Träger, der unterhalb der Membran auf der Produktseite angeordnet ist, erlaubt es der Membran, unter hohen Druckdifferenzen bei erhöhten Temperaturen zu arbeiten. Wenn das Membran-Material auf beiden Seiten des mechanischen Trägers angeordnet ist, dann ist der Träger selbst während des Betriebs einer Druckbelastung ausgesetzt. Bei Anwendung dieses Aufbau-Typs kann der mechanische Träger weniger robust sein als es erforderlich wäre, wenn er nur von einer Seite her belastet wäre.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Weg zur Abdichtung (Versiegelung) jeder Membran-"Hälfte" zur Verfügung, unabhängig von dem mechanischen Träger, so daß alle möglichen Leck-Durchgänge (Auslaufwege) eliminiert sind. Wenn beide Membran-Folien an ihrem Rand (Umfang) unter Verwendung einer einzigen Verschweißung vom Schweißnaht-Typ zum Verbinden von Teilen miteinander verbunden werden, ist die Wahrscheinlichkeit eines Lecks durch eine Schweißnaht beträchtlich vermindert.
Es sind viele Verfahren zum Verbinden von dünnen Metallfolien, die für Wasserstoff-durchlässige Membranen eingesetzt werden, bekannt. Bemühungen, eine hermetische Versiegelung von Membranen dieses dünnen Folien-Typs durch Verschweißen, Hartlöten oder Diffusionsverbinden zu erzielen, sind in dem US-Patent Nr. 5 645 626 beschrieben. Weitere Bemühungen an einer Hartlöt-Verbindungsstelle sind in der kanadischen Patentanmeldung Nr. 436 620 beschrieben. Die Probleme mit einer Verbindungsstelle vom hartgelöteten Typ treten auf aufgrund der Möglichkeit der Hartlöt-Legierung, die Membranoberfläche während des Hartlötens mit Metallen, Flussmittel-Verbindungen oder anderen Substanzen, welche die Fähigkeit der Membranen, während des Betriebs Wasserstoff zu transportieren, stören würden, zu verunreinigen. Die Diffusionsbindung von Membranfolien als Mittel zur Befestigung an vorgefertigten Trägerelementen ist beschränkt durch die Anforderung, dass eine hermetische Versiegelung an einer Verbindungsstelle nur auftreten kann, wenn das Material in der Bindungszone zu einem gewissen Zeitpunkt während des Bindungsvorganges in den flüssigen Zustand übergeht.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Verbinden von zwei dünnen Folienmembranen (Dicke etwa 25 μm/0,025 mm) unter Anwendung einer kommerziell verfügbaren Schweißtechnologie. Eine einzige Schweißverbindung dichtet hermetisch beide Membranen in einem Durchgang ab, wobei die Möglichkeit einer fehlerhaften Schweißverbindung als Folge einer durch das Schweißen induzierten Spannungsbelastung, die Möglichkeit einer Verunreinigung, die in den Grundmetallen enthalten ist, und einer Porosität in der fertigen Verschwei ßung um etwa 50 % vermindert werden. Die fertige Verbindungsstelle weist Vorteile gegenüber der derzeitigen Technologie im Bereich der Zuverlässigkeit und der Leichtigkeit der Herstellung auf.
Die erfindungsgemäße Wasserstoffabtrennungsmembran stellt daher eine Verbesserung gegenüber der in dem US-Patent Nr. 5 139 541 , auf dessen Inhalt in seiner Gesamtheit hier ausdrücklich Bezug genommen wird, beschriebenen Membranstruktur dar.
Die erfindungsgemäße Membran-Trägerstruktur 10 ist, wie in der 1 dargestellt, ein scheibenförmiges Element, das so gestaltet ist, dass es auf seinen beiden äußeren Oberflächen mit dem Wasserstoff enthaltenden Gas in Kontakt steht. Die freiliegende äußere Oberfläche 12 der Folie ist sandwichartig unterhalb des äußeren Ringes 13 in einer weiter unten vollständiger beschriebenen Weise angeordnet. Das zentrale Loch steht in Verbindung mit dem Innenraum der Scheibe zur Entfernung des Wasserstoffs. Die Rückseite der Scheibe (nicht dargestellt) ist identisch, wie aus den 2 und 2A ersichtlich. Die innere Trägerscheibe weist ein Loch auf, das dem Innern der zentralen Träger-Struktur 21 entspricht. Die Scheibe 20 weist einen festen Umfang auf, der im Schnitt bei 25 dargestellt ist. In der Scheibe sind Schlitze vorgesehen, die sich ab dem zentralen Loch radial nach außen erstrecken, wo sie an dem Rand des äußeren Umfangs enden. Die Ränder der Schlitze sind beispielsweise bei 27, 28 und 29 schematisch dargestellt. Die Folie 30 wird von beiden Oberflächen der Scheibe 10 aufgenommen. Aus dem Äußeren der Scheibe 10 wird durch die Folie 30 hindurch in einen Schlitz 35 in der Trägerscheibe Wasserstoff transportiert, aus der er durch eine zentrale Rohrleitung (nicht dargestellt) entfernt werden kann, da die Ränder der Schlitze (beispielsweise 28, 29 und 30) mit der Öffnung (dem Loch 15) und der zentralen Rohrleitung in Verbindung stehen. Es können auch andere (weitere) Einrichtungen zum Auslass des Wasserstoffs vorgesehen sein, d.h. beispielsweise Rillen anstelle der Schlitze oder eine Oberflächenstrukturierung oder dgl.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Randstruktur für die Scheibe kritisch für die Erzielung einer gasdichten Versiegelung. Außerdem wird die Folie vorzugsweise getragen (unterstützt) auf einem inerten Gewebe, beispielsweise einem Glasfasergewebe oder einem gewebten oder nicht-gewebten Keramikmaterial. Unter Bezugnahme auf die 3 ist die Trägerscheibe 20 auf beiden Seiten mit einer Schicht aus einem inerten Gewebe 31 bedeckt. Die für Wasserstoff durchlässige Metallmembran-Folie 30 wird von dem Gewebe 30 aufgenommen. Ein Paar von Folien-Metallträgerringen 36 und 37 sind an der Trägerscheibe 20 um deren Umfang herum befestigt, um so die Schlitze nicht zu verschließen. Die abgeschrägten (abgefasten) Trägerringe 36 und 37 sind so dimensioniert, dass sie einem Rand entsprechen und einen Rand bilden. Die Folien 30 und 32 sind so angeordnet, dass sie über dem Gewebe 31 liegen, das auf dem Gewebe 31 aufliegt, das von der Trägerscheibe 20 getragen wird. Ein Paar von Folien-Metalleinfassungsringen 40 und 41 sind so dimensioniert, dass sie auf die Trägerringe 36 und 37 abgestimmt sind und die Folien 30 und 32 zwischen den Trägerringen 36 und 37 und den Metalleinfassungsringen 40 und 41 festhalten. Eine Schweißnaht 50 verbindet alle Ringe miteinander. Die Scheibe 20, die Einfassungsringe 40 und 41 und die Trägerringe 36 und 37 sind alle aus Materialien hergestellt, die mit der Endverwendungs-Umgebung für die Membranscheiben kompatibel sind.
Diese Erfindung unterscheidet sich von der derzeitigen Technologie dadurch, dass die Gesamtlänge der verschweißten oder versiegelten Verbindungsstellen für ein gegebenes Paar von Membranen mit vergleichbaren Außendurchmessern vermindert ist. Die Erfindung erlaubt außerdem Dimensionsänderungen als Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den für die Schweißnaht verwendeten Materialien und Dimensionsänderungen, die auftreten, wenn das Membranmaterial mit Wasserstoff gesättigt ist, was unabhängig von anderen Komponenten in der Anordnung auftritt. Dies hat zur Folge eine weitere Verminderung der auf die Membran unter den Betriebsbedingungen einwirkenden Spannung. Außerdem erlaubt dieser Typ einer Verbindung die Verwendung von billigeren Materialien für die Herstellung, die nicht physika lisch Teil der Schweißnaht sind, wodurch die Herstellungskosten weiter herabgesetzt werden.
Die Verarbeitung dieser Teile zu einer fertigen Anordnung wird erzielt durch Zusammenbau mit einer Schweißfixierung, welche die Teile zusammenhält. Das Membranmaterial wird mechanisch zwischen den unteren Membranträger und die Membranabdeckringe gepresst während des Zusammenklammerns in der Schweißbefestigung, so daß die äußeren Ränder fest zusammengehalten werden in engem Kontakt mit der Membran. Diese zusammengeklemmte Anordnung wird dann an dem äußeren Umfang (Rand) mit einer Schweißnaht verschweißt. Die einzelne Schweißraupe fusioniert die äußeren Ränder der oberen und unteren Membranträgerringe, die oberen und unteren Membranen und die oberen und unteren Membranabdeckringe miteinander zu einer auslaufdichten (nicht leckenden) Einheit.
Die jeweilige Nahtverschweißung kann bewirkt werden durch eine Reihe von handelsüblichen Technologien, die umfassen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, das Laser-, Elektronenstrahl- und Wolfram-Inertgas(TIG)-Schweißen. Die Schweißnaht kann erzielt werden mit und ohne Zugabe eines Füllmaterials zu der Schweißzone. Dieser Verschweißungs-Typ kann auch andere Anwendungen haben, die eine Verschweißung von dünnen Metallfolien für andere Zwecke außerhalb der hier beschriebenen Membrananwendung erfordern.
Eine Anordnung aus 43 einzelnen Scheiben, hergestellt wie vorstehend beschrieben, die eine Gesamtmembranfläche von etwa 1,86 m² (20 ft²) aufwiesen, wurde bei 300°C und 43,2 kg/cm² (600 psig) insgesamt 200 h lang betrieben, ohne dass eine merkliche Abnahme der Wasserstoffabtrennungs-Funktion auftrat. Die Permeat-Seite der Anordnung wurde bei einem Druck von etwa 2,05 bis 3,11 kg/cm² (15-30 psig) betrieben, wobei die Anordnung einer Druck-Differenz an jeder Membran von 41,1 bis 42,1 kg/cm² (570-585 psig) ausgesetzt war. Die Anordnung wurde außerdem einem Betrieb von etwa 30 Cyclen unterworfen ab Umgebungsbedingungen in bezug auf Temperatur und Druck bis zu den angegebenen Betriebstemperaturen und -drucken, ohne dass die Schweißverbindung versagte.
Die Begrenzungen für die Aufrechterhaltung einer guten Schweißintegrität und somit einer hermetisch abgedichteten (versiegelten) Schweißverbindung liegen in erster Linie in der Auswahl der Materialien für den unteren Träger und die oberen Abdeckringe, die mit der zu schweißenden dünnen Metallfolie kompatibel sind, und in der Auswahl der geeigneten Schweißparameter der zur Herstellung der Verschweißung verwendeten Vorrichtung.
Die 5 und 6 erläutern eine Ausführungsform der Fluidtrennungsanordnung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die 6 eine auseinandergezogene Ansicht der Fluidtrennungsanordnung 110, wie in 5 dargestellt, ist. Die Fluidtrennungsanordnung 110 umfasst erste Membranhalter 112, eine weibliche Membranunteranordnung 114, eine erste Membrandichtung 116, einen ersten Drahtgittermembranträger 118, zweite Membranhalter 120, eine geschlitzte Permeatplatte 122, einen Permeatrand bzw. -flansch 124, einen zweiten Drahtgitter-Membranträger 128, eine zweite Membrandichtung 130 und eine männliche Membranunteranordnung 132. Bei einer Ausführungsform können die ersten Halter 112 im wesentlichen flache Ringelemente mit einem Außen durchmesser sein, der gleich dem Durchmesser der weiblichen und männlichen Membranunteranordnungen 114 und 132 ist, und sie können eine Dicke zwischen etwa 0,025 und 1,52 mm (0,001-0,060 inches) haben. Die ersten Membranhalter 112 weisen jeweils eine zentral angeordnete Öffnung 113 und 135 auf. Die ersten Membranhalter 112 können aus Monel 400 (UNS N 04400) hergestellt sein, es können aber auch andere Materialien, die mit dem nachstehend diskutierten Schweißprozess kompatibel sind, verwendet werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die ersten Halter 112 zwar so dargestellt sind, dass sie im wesentlichen ringförmige Elemente umfassen, sie können aber auch andere gewünschte Gestalten und andere Dicken haben, ohne von dem Geist und dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die 7 stellt eine auseinandergezogene Ansicht einer weiblichen permeablen Membranunteranordnung 114 dar. Bei dieser Ausführungsform umfasst die weibliche Membranunteranordnung 114 einen weiblichen Dichtungssitz 136, eine für Wasserstoff durchlässige Membran 138, eine Innendurchmesser-Membrandichtung 140 und eine Zentralträger-Unterlegscheibe 142. Bei dieser Ausführungsform ist der weibliche Dichtungssitz 136 ein im wesentlichen flaches Ringelement 144 mit einer erhabenen Fläche 146, die sich um das Ringelement 144 und eine zentral angeordnete Öffnung 145 herum erstreckt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform zwar mit Dichtungssitzen mit dieser Konfiguration dargestellt ist, dass aber auch andere geometrische Formen der Dichtungssitze, die für andere Dichtungs-Konfigurationen oder -Materialien spezifisch sind, angewendet werden können, ohne dass dadurch der Geist und der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Der weibliche Dichtungssitz 136 kann aus Monel 400 hergestellt sein, es können aber auch andere Materialien wie Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kuper-Legierungen oder andere Legierungen, die eine kompatible Fusion mit dem ausgewählten permeablen Membranmaterial während des Verschweißens ergeben, verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist die für Wasserstoff durchlässige Membran 138 ein im wesentlichen planares Element mit einer kreisförmigen Konfiguration, mit einander gegenüberliegenden Seiten 148 und einer zentral angeordneten kreisförmigen Öffnung 150. Die Innendurchmesser-Membrandichtung 140 ist ebenfalls ein flaches Ringelement mit einer zentral angeordneten Öffnung 151. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Innendurchmesser-Membrandichtung 140 aus Monel 400 (UNS N 04400) hergestellt sein, es können aber auch andere Materialien wie Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kupfer-Legierungen oder andere Legierungen, die eine kompatible Fusion mit dem ausgewählten permeablen Membranmaterial während des Verschweißens ergeben, verwendet werden. Die zentrale Träger-Unterlegscheibe 142 ist ein flaches Ringelement mit einer zentral angeordneten Öffnung 153. Die zentrale Träger-Unterlegscheibe 142 kann aus Monel 400 (UNS N 04400) hergestellt sein, es können aber auch andere Materialien wie Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kupfer-Legierungen oder andere Legierungen, die eine kompatible Fusion mit dem ausgewählten permeablen Membranmaterial oder der ausgewählten Legierung während des Verschweißens ergeben, verwendet werden.
In der 6 sind bei dieser Ausführungsform die erste und die zweite Membrandichtung 116 und 130 jeweils ein im wesentlichen flaches Ringelement mit einer zentral angeordneten Öffnung 155 bzw. 157. Bei dieser Ausführungsform können die erste und zweite Membrandichtung 116 und 130 aus Monel 400-Legierung (UNS N 04400) Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kupfer-Legierungen oder anderen Edelmetall-Legierungen oder anderen Legierungen, die mit der Verschweißung kompatibel sind, die zum Verbinden der Komponenten der Fluidtrennungsanordnung 110 angewendet wird und die nachstehend diskutiert wird, hergestellt sein. Die ersten und zweiten Membrandichtungen 116 und 130 können eine Dicke zwischen etwa 0,0013 und 0,013 mm (0,0005-0,005 inches) haben. Es können aber auch andere Dichtungsdicken angewendet werden.
Auch bei dieser Ausführungsform sind die ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträger 118 und 128 planare ringförmige Elemente mit zentral angeordneten Öffnungen 152 bzw. 154. Die Drahtgitter-Membranträger 118 und 128 können aus einer rostfreien Stahllegierung 316L mit einer Maschenzahl zwischen etwa 19 und 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch) hergestellt sein, wobei die Maschenzahl so gewählt wird, dass sie in geeigneter Weise die für Wasserstoff durchlässigen Membranen 138 und 162 unterstützt. Die Machart des gewebten Drahtgitters kann umfassen ein Standard-Flach-Quadrat-Gewebe, ein Diagonal-Quadrat-Gewebe, ein Rechteck-Flach- oder -Diagonal-Gewebe oder ein Dreieck-Flach- oder -Diagonal-Gewebe. Ein Beispiel für die Maschenzahl, die angewendet werden kann, ist 49 Maschen pro 2,54 cm (1 inch). Die Drahtgitter-Membranträger 118 und 128 können aus Stahllegierungen, aus rostfreien Stahllegierungen, aus Nickel-Legierungen oder Kupfer-Legierungen hergestellt sein. Das Maschendrahtgitter kann mit einem dünnen Film überzo gen sein, der eine intermetallische Diffusionsbindung verhindert (d.h. eine intermetallische Diffusionsbindungs-Sperrschicht aufweist). Die intermetallische Diffusionsbindungs-Sperrschicht kann ein dünner Film sein, der mindestens einen Vertreter aus der Gruppe eines Oxids, Nitrids, Borids, Silicids, Carbids oder Aluminids enthält und er kann unter Anwendung einer Reihe von konventionellen Verfahren aufgebracht werden, z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch physikalische Dampfabscheidung (PVD), durch chemische Dampfabscheidung und durch Plasma-verstärkte Dampfabscheidung. So kann beispielsweise das Verfahren des reaktiven Sputterns, eine Form der PVD, angewendet werden, um einen dünnen Oxidfilm mit einer Dicke zwischen etwa 60 und 70 nm (600-700 Å) auf die Drahtgitter-Membranträger 118 und 128 aufzubringen. Zur Herstellung des dünnen Films kann auch eine Vielzahl von Oxiden, Nitriden, Boriden, Siliciden, Carbiden und Alumininiden verwendet werden ebenso wie irgendwelche dünnen Filme, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich sind. Die Anwendung dieser Form der PVD führt zu einem dichten amorphen dünnen Film mit etwa der gleichen mechanischen Festigkeit wie das massive Dünnfilmmaterial.
Auch bei dieser Ausführungsform sind die zweiten Membranhalter 120 jeweils ein im wesentlichen flaches Ringelement. Ein Halter 120 weist eine zentral angeordnete Öffnung 159 auf und ein Halter 120 weist eine zentral angeordnete Öffnung 161 auf (vgl. 6). Diese Halter 120 können die gleiche Dicke haben wie die ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträger 118 und 128. Die zweiten Membranhalter 120 können aus einem Material hergestellt sein, das mit der nachstehend diskutierten Verschweißung kompatibel ist, beispielsweise Monel 400 (UNS N 04400) und es können Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kupfer-Legierungen, Edelmetalle oder -legierungen oder andere Legierungen, die mit dem ausgewählten Membranmaterial oder der ausgewählten Legierung während des Schweißens eine kompatible Fusion ergeben, verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die geschlitzte Permeatplatte 122 eine Stahlplatte mit einer Vielzahl von Schlitzen 156, die sich von einer zentralen Öffnung 158 aus radial nach außen erstrecken in Richtung des Umfangs der geschlitzten Permeat-Platte 122. Die Anzahl der Schlitze 156 in einer geschlitzten Permat-Platte 122 kann in dem Bereich von etwa 10 bis 72 liegen. Es können aber auch andere geeignete Schlitzdichten zweckmäßig verwendet werden. Der Permeat-Plattenrand (-flensch) 124 ist ein im wesentlichen flaches Ringelement mit einer zentral angeordneten Öffnung 163 und einem Innnendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der geschlitzten Permeat-Platte 122. Der Permeat-Plattenflansch 124 ist aus Monel 400 (UNS N 04400) hergestellt, es können aber auch andere Materialien wie Nickel, Kupfer, Nickel-Legierungen, Kuper-Legierungen, Edelmetalle oder -legierungen oder andere Legierungen, die eine kompatible Fusion mit dem ausgewählten Membranmaterial oder der ausgewählten Legierung während des Schweißens ergeben, verwendet werden.
Die 8 stellt eine auseinandergezogene Ansicht der männlichen permeablen Membranunteranordnung 132 dar. Die männliche Membranunteranordnung 132 umfasst einen männlichen Dichtungssitz 160, eine für Wasserstoff durchlässige Membran 162, eine Innnendurchmesser-Membrandichtung 164 und eine Zentralträger-Unterlegscheibe 166. Die für Wasserstoff durchlässigen Membranen 138 und 162 können aus mindestens einem für Wasserstoff durchlässigen Metall oder einer Legierung, hergestellt sein, die mindestens ein für Wasserstoff durchlässiges Metall, vorzugsweise ausgewählt aus den Übergangsmetallen der Gruppen VIIB oder VIIIB des Periodischen Systems der Elemente, enthält. Die für Wasserstoff durchlässige Membran 162, die Innnendurchmesser-Membrandichtung 164, und die Zentralträger-Unterlegscheibe 166 haben einen ähnlichen Aufbau wie die für Wasserstoff durchlässige Membran 138, die Innnendurchmesser-Membrandichtung 140 bzw. die Zentralträger-Unterlegscheibe 142, wie sie weiter oben diskutiert wurden. Der männliche Dichtungssitz 160 ist ein im wesentlichen planares Ringelement 168 mit einer kreisförmigen Erhebung 170, die sich um eine zentral angeordnete Öffnung 172 herum erstreckt. Bei dieser Ausführungsform sind der weibliche Dichtungssitz 136 und der männliche Dichtungssitz 160 aus einem hochfesten Le gierungsmaterial hergestellt, das mit der Verschweißungsstelle, beispielsweise aus Monel 400, kompatibel ist. Die Innnendurchmesser-Membrandichtungen 140 und 164 sind aus den gleichen Materialien hergestellt wie die ersten und zweiten Außendurchmesser-Membrandichtungen 116 und 130, wie sie oben diskutiert wurden.
Die 9 bis 11 stellen verschiedene Querschnittsansichten der zusammengebauten erfindungsgemäßen Fluidtrennungsanordnung 110 dar, wobei die 10 eine vergrößerte Ansicht des Schnitts A der in 9 dargestellten Fluidtrennungsanordnung 110 darstellt und 11 eine ebene Schnittansicht der zusammengebauten Fluidtrennungsanordnung 110 darstellt. Beim Zusammenbau der Komponenten der Fluidtrennungsanordnung 110, wie sie in den 6 bis 8 dargestellt ist, werden die weibliche Membranunteranordnung 114 und die männliche Membranunteranordnung 132 zuerst zusammengebaut. Der weibliche Dichtungssitz 136, die permeable Membran 138, die Innnendurchmesser-Membrandichtung 140 und die Zentralträger-Unterlegscheibe 142 werden aufeinandergelegt, wie in 11 dargestellt, so daß ihre zentral angeordneten Öffnungen 145, 150, 151 bzw. 153 koaxial aufeinander ausgerichtet sind. Eine erste Verschweißung 171, wie in 11 dargestellt, wird an den jeweiligen Öffnungen angebracht. Die erste Verschweißung 171 hat die Form einer Schweißraupe, die eine hermetische Versiegelung zwischen dem weiblichen Dichtungssitz 136, der permeablen Membran 138, der Innnendurchmesser-Membrandichtung 140 und der Zentralträger-Unterlegscheibe 142 erzeugt. Die Verschweißung 171 kann unter Anwendung einer Reihe von handelsüblichen Methoden durchgeführt werden, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch Laser-, Elektronenstrahl- und Wolfram-Inertgas(TIG)-Schweißung. Es können auch alternative Verbindungstechnologien angewendet werden, beispielsweise das Hartlöten oder Löten, wobei das erwünschte Ergebnis eine gasdichte Bindung zwischen dem Dichtungssitz 136 und der permeablen Membran 138 ist. Die Komponenten der männlichen Membranunteranordnung 132, die den männlichen Dichtungssitz 160, die permeable Membran 162, die Innnendurchmesser-Membrandichtung 166 und die Zentral träger-Unterlegscheibe 166 umfassen, werden ebenfalls so aufeinander angeordnet, wie in 11 dargestellt, dass ihre zentral angeordneten Öffnungen 172, 181, 183 und 185 koaxial aufeinander ausgerichtet sind, und eine zweite Verschweißungsraupe 173 wird, wie in 11 dargestellt, um den Umfang ihrer Öffnungen 172, 181, 183 und 185 herum angebracht. Wie oben angegeben, kann die Verschweißung 173 hergestellt werden durch Anwendung einer Reihe von handelsüblichen Technologien, die umfassen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, das Laser-, Elektronenstrahl- und Wolfram-Inertgas(TIG)-Schweißen.
Nachdem die Komponenten der weiblichen Membranunteranordnung 114 und die Komponenten der männlichen Membranunteranordnung 132 durch die Verschweißungen 171 bzw. 173 miteinander verbunden worden sind, werden sie mit den übrigen Komponenten, wie sie vorstehend beschrieben wurden, vereinigt unter Bildung der Fluidtrennungsanrodnung 110. Wie in 6 dargestellt, werden die ersten und zweiten Halter-Elemente 112 und 120, die weiblichen und männlichen Membranunteranordnungen 114 und 132, die ersten und zweiten Außendurchmesser-Dichtungen 116 und 130, die ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträger 118 und 128, die geschlitzte Permeatplatte 122 und der Permeat-Flansch bzw. -Ring 124 so aufeinander ausgerichtet, dass ihre zentral angeordneten Öffnungen koaxial aufeinander ausgerichtet sind. Wie in 11 dargestellt, werden diese Komponenten in dieser Konfiguration festgehalten durch Anbringen einer Verschweißung 174 an dem äußeren Umfang der ersten und zweiten Halter-Elemente 112 und 120, der weiblichen und männlichen Membranunteranordnungen 114 und 132, der ersten und zweiten Außendurchmesser-Membrandichtungen 116 und 130 und und des geschlitzten Permeat-Flansches 124. Alternativ können diese Teile auch so zusammengebaut werden, dass ihre zentral angeordneten Öffnungen koaxial aufeinander ausgerichtet sind, wie in 11 dargestellt, und sie können miteinander verbunden werden durch Durchführung eines Hartlöt- oder Lötvorganges an dem äußeren Umfang der ersten und zweiten Halter-Elemente 112 und 120, der weiblichen und männlichen Membranunteranordnungen 114 und 132, der er sten und zweiten Außendurchmesser-Membrandichtungen 116 und 130 und des geschlitzten Permeat-Flansches 124. Wie aus 10 ersichtlich, kann ein Hohlraum 175 zwischen der geschlitzten Permeatplatte 122 und dem Permeatflansch 124 vorgesehen sein, der die Ausdehnung und Kontraktion der Komponenten der Fluidtrennungsanordnung 110 erlaubt, die aus einer Temperatur-Änderung resultiert. Im zusammengebauten Zustand kann die Fluidtrennungsanordnung 110 eine Dicke in dem Bereich von 0,25 bis 3,18 mm (0,010-0,125 inch), je nach den Dicken der verwendeten Komponenten, haben.
Beim Abtrennen des Wasserstoffs von einer Gasmischung, die Wasserstoff enthält, wird die Gasmischung auf die permeablen Membranen 138 und 162 der weiblichen Membranunteranordnung 114 bzw. die männliche Membranunteranordnungen 132 in den in der 11 dargestellten Richtungen D und E gerichtet. Aus Gründen der Klarheit sind die permeablen Membranen 138 und 164 der weiblichen und männlichen Membranunteranordnungen 114 und 132 jeweils in der 11 so dargestellt, als ob sie einen Abstand von den ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträgern 118 und 128 hätten; bei der Verwendung stehen jedoch die permeablen Membranen 138 und 162 im Kontakt mit den ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträgern 118 und 128 und werden dadurch unterstützt. Wenn die Wasserstoff enthaltende Gasmischung mit den für Wasserstoff durchlässigen Membranen 138 und 162 in Kontakt kommt, durchströmt der Wasserstoff die permeablen Membranen 138 und 162, passiert die ersten und zweiten Drahtgitter-Membranträger 118 und 128 und gelangt in die geschlitzte Permeat-Platte 122, in der der Wasserstoff in einen spezifischen Schlitz 156 eintritt und in Richtung der Zentralachse C durch die durch die Schlitze 156 gebildeten Durchgänge gelenkt wird. Die zentralen Öffnungen der Komponenten der Fluid-Trennungsanordung 110, wie sie in 6 dargestellt ist, bilden eine Rohrleitung (Durchgang) 180, in der der gereinigte Wasserstoff gesammelt und zu dem gewünschten Ort transportiert wird. Die Rohrleitung 180 kann einen Durchmesser zwischen etwa 0,64 und 2,54 cm (0,25-1 inch) haben. Der Durchmesser wird bestimmt durch die Komponenten der Fluid-Trennungsanordung 110 und durch den Wunsch, dass der Wasser stoffstrom im wesentlichen ungehindert ist. Die von Wasserstoff verschiedenen Gase in der Gasmischung werden durch die Fluid-durchlässigen Membranen 138 und 162 daran gehindert, in die Fluid-Trennungsanordung 110 einzutreten. Der Rest der an Wasserstoff verarmten Gasmischung wird bei dieser Ausführungsform um das Äußere der Fluid-Trennungsanordung 110 herumgelenkt.
Die 12 und 13 erläutern einen Modul 185, in dem mehrere erfindungsgemäße Fluid-Trennungsanordungen 110 verwendet werden, wobei die 13 einen vergrößerten Schnitt B des Moduls 185 zeigt. Jede der Fluidtrennungsanordungen 110 ist aus Gründen der Klarheit als ein massiver Körper dargestellt. Jede der Fluid-Trennungsanordungen 110 ist jedoch die gleiche wie die in den 5 bis 11 dargestellten Fluid-Trennungsanordungen 110. Der Modul 185 weist einen Beschickungsgas-Einlass 191, einen Permeat-Auslass 190 und einen Austragsgas-Auslass 193 auf. Die Fluid-Trennungsanordungen 110 sind koaxial aufeinander ausgerichtet. Die Verteilerplatten 187 sind sandwichartig zwischen den Fluid-Trennungsanordungen 110 angeordnet und trennen diese voneinander. Die Verteilerplatten 187 sind auf einer Schulter der Dichtungssitze 136 in der Weise angeordnet, dass sie in aufeinanderfolgenden Fluid-Trennungsanordungen 110 den gleichen Abstand von der planaren Oberfläche der permeablen Membrananordnungen 114 und 132 haben. Die Verteilerplatten 187 sind mit den Dichtungssitzen 136 und 160 nicht fest verbunden, sondern ruhen vielmehr auf einer Schulter des Dichtungssitzes 136. Es besteht genügend Abstand zwischen der zentralen Öffnung der Verteilerplatte 187 und der Schulter auf dem weiblichen Dichtungssitz 136, so daß die Verteilerplatten 187 und die Fluid-Trennungsanordungen 110 sich im Innern der Wand des Membrangehäuses unabhängig von der Position der Fluid-Trennungsanordungen 110 selbst positionieren können. Jede Verteilerplatte 187 weist eine Öffnung 189 auf. Die Fluid-Trennungsanordungen 110 sind aufeinander so ausgerichtet, dass jede der Rohrleitungen 180 der Fluid-Trennungsanordungen 110 eine größere Rohrleitung (Durchgang) 190 bildet. Der Durchgang für die Wasserstoff enthaltende Gasmischung, dargestellt durch den Pfeil G, beginnt bei der Öffnung 189 und erstreckt sich entlang der äußeren Oberfläche der Fluid-Trennungsanordung 110, wobei ein Teil des Wasserstoffs der Gasmischung durch die permeablen Membranen 138 und 162 in die Fluid-Trennungsanordungen 110 frei eintreten kann und entlang des Weges F in die größere Rohrleitung 190 gelenkt wird und die restliche Gasmischung dem Pfeil G folgt und serpentinenförmig den Durchgang durchströmt, der durch die Verteilerplatten 187, die Fluid-Trennungsanordungen 110 und die Innenwand 192 des Moduls 185 gebildet wird. Wenn die Gasmischung den Durchgang durchströmt, kommt sie mit den äußeren Oberflächen mehrerer anderer Fluid-Trennungsanordungen 110 in Kontakt, wobei weiterer Wasserstoff, der in der Gasmischung verblieben ist, die permeablen Membranen 138 und 162 durchdringt und dem Weg F folgt, was dazu führt, dass dieser gereinigte Wasserstoff in die größere Rohrleitung 190 gelangt. Der Rest der an Wasserstoff verarmten Gasmischung tritt durch eine Öffnung 193 aus, die an dem gegenüberliegenden Ende des Moduls 185 angeordnet ist, nachdem sie den gesamten Stapel von Fluid-Trennungsmembrananordungen 110 durchströmt hat.
Die Erfindung wurde zwar anhand ihrer vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, es ist jedoch zu erwarten, dass viele Modifikationen und Variationen entwickelt werden. Die vorstehende Beschreibung und die nachfolgenden Patentansprüche umfassen alle diese Modifikationen und Variationen.

Claims

Für Wasserstoff durchlässiger Membran-Trennungs-Modul, der umfasst eine perforierte Scheibe, die einen nicht-perforierten Ring aufweist, der um den Umfang der Scheibe herum und an dem äußeren Rand derselben angeordnet ist und eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche und Hohlräume aufweist, die mit einer Sammelkammer in Verbindung stehen, die im Zentrum der Scheibe angeordnet ist, zwei perforierte anorganische Sperrschichten, die über der genannten perforierten Scheibe sowohl auf der oberen Oberfläche als auch auf der unteren Oberfläche liegen, zwei für Wasserstoff durchlässige Metallmembranen, die auf der genannten perforierten anorganischen Sperrschicht liegen und jenseits des äußeren Umfangs der perforierten Scheibe enden, zwei kreisförmige Trägerringe, die auf dem nicht-perforierten Ring der genannten Scheibe liegen, wobei die genannte Sperrschicht auf der Scheibe kurz vor dem äußeren Umfang derselben endet und an die kreisförmigen Trägerringe anstößt, wobei der äußere Umfang der genannten Membran von den Trägerringen aufgenommen wird, und Einfassungsringe, die von den Membranen aufgenommen werden und so dimensioniert sind, dass sie am Umfang der Membranen und der Trägerringe enden, und eine Schweißraupe, welche die äußeren Einfassungsringe, die Membranen und die Trägerringe fluiddicht so miteinander verbindet, dass Wasserstoff die Membranen, die Sperrschicht und die Hohlräume in der perforierten Scheibe passieren und im Innern der Anordnung gesammelt werden kann.
Fluid-Trennungsanordung, die umfasst: eine Fluid-durchlässige Membran und eine Drahtgitter-Membran, die benachbart zu der genannten Fluiddurchlässigen Membran angeordnet ist, wobei die genannte Drahtgitter-Membran eine intermetallische Diffusions-Sperrschicht aufweist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 2, worin die genannte Sperrschicht ein dünner Film ist, der mindestens einen Vertreter aus der Gruppe enthält, die besteht aus Nitriden, Oxiden, Boriden, Siliciden, Carbiden und Aluminiden.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 3, worin die genannte Sperrschicht ein dünner Film ist, der einen Vertreter aus der Gruppe Oxid und Nitrid enthält.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 2, worin die genannte Drahtgitter-Membran mit der genannten Fluid-durchlässigen Membran in Kontakt steht.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 2, worin die genannte Fluid-durchlässige Membran ein im wesentlichen planares Element mit einer zentral angeordneten Öffnung ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 6, worin die genannte Drahtgitter-Membran eine im wesentlichen planare Membran ist, die eine zentral angeordnete Öffnung aufweist, die auf die Öffnung der genannten Fluiddurchlässigen Membran ausgerichtet ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 7, worin die genannte Drahtgitter-Membran eine Maschenzahl aufweist, die in dem Bereich zwischen etwa 19 und 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch) liegt.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 7, die außerdem eine geschlitzte Permeat-Platte aufweist, die benachbart zu der genannten Drahtgitter-Membran angeordnet ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 9, die außerdem umfasst eine zweite Fluid-durchlässige Membran und eine zweite Drahtgitter-Membran, wobei die genannte geschlitzte Permeat-Platte eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und die genannte erste durchlässige Membran benachbart zu der ersten Seite der genannten geschlitzten Permeat-Platte angeordnet ist und die genannte erste Drahtgitter-Membran benachbart zu der genannten ersten durchlässigen Membran angeordnet ist, und wobei die genannte zweite Drahtgitter-Membran benachbart zu der zweiten Seite der genannten geschlitzten Permeat-Platte angeordnet ist und die genannte zweite Fluid-durchlässige Membran benachbart zu der genannten zweiten Drahtgitter-Membran angeordnet ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 10, worin die genannte geschlitzte Permeat-Platte, die genannte zweite Drahtgitter-Membran und die genannte zweite Fluid-durchlässige Membran jeweils ebenfalls eine zentral angeordnete Öffnung aufweisen und die jeweiligen zentral angeordneten Öffnungen koaxial so aufeinander ausgerichtet sind, dass sie eine zentrale Rohrleitung (Durchgang) bilden.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 2, worin die genannte Drahtgitter-Membran aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 10, worin jede der genannten Fluid-durchlässigen Membranen außerdem einen Dichtungssitz, eine Membrandichtung und eine Unterlegscheibe aufweist zur Bildung einer ersten und einer zweiten Membranunteranordnung, wobei die genannten Dichtungssitze, die genannten Membrandichtungen und die genannten Unterlegscheiben mit den genannten Fluid-durchlässigen Membranen verbunden sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 13, die außerdem eine Schweißraupe aufweist, die mit jeder der genannten ersten und zweiten Membranunteranordnungen verbunden ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 14, die außerdem erste Halter aufweist, wobei einer der genannten ersten Halter mit jeder der genannten Fluid-durchlässigen Membranen verbunden ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 14, die außerdem zweite Halter aufweist, die benachbart zu der genannten geschlitzten Permeat-Platte angeordnet sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 14, die außerdem aufweist erste Halter und einen der genannten zweiten Halter, die jeweils benachbart zu den genannten Fluid-durchlässigen Membranen angeordnet sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 14, die außerdem Dichtungen aufweist, wobei eine der genannten Dichtungen benachbart zu jeder der genannten Drahtgitter-Membranen angeordnet ist.
Fluid-Trennungsanordung, die umfasst eine geschlitzte Permeat-Platte mit einander gegenüberliegenden Flächen; erste und zweite Drahtgitter-Membranen, wobei jede der genannten Drahtgitter-Membranen eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei jede der ersten Oberflächen der genannten Drahtgitter-Membranen benachbart zu der geschlitzten Permeat-Platte angeordnet ist, erste und zweite Membranen, die für ein gewünschtes Fluid durchlässig (permeabel) sind, wobei jede der genannten permeablen Membranen benachbart zu einer der zweiten Oberflächen der genannten Drahtgitter-Membranen angeordnet ist, einen Permeat-Plattenflansch, der die genannte geschlitzte Permeat-Platte umgibt, erste Halter, die jeweils benachbart zu den genannten durchlässigen Membranen angeordnet sind; zweite Halter, die benachbart zu der genannten geschlitzten Permeat-Platte und den genannten Drahtgitter-Membranen angeordnet sind; und Dichtungen zwischen jeder der genannten Drahtgitter-Membranen und den genannten permeablen Membranen, wobei der genannte Permeat-Plattenflansch bzw. -Ring, die genannten ersten Halter, die genannten zweiten Halter, die genannten durchlässigen Membranen und die genannten Dichtungen an ihrem Umfang miteinander verbunden sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, worin der genannte Permeat-Plattenflansch, die genannten ersten Halter, die genannten zweiten Halter, die genannten permeablen Membranen und die genannten Dichtungen mittels einer Schweißraupe an ihrem Umfang miteinander verbunden sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, die außerdem umfasst einen weiblichen Dichtungssitz, eine Membrandichtung und eine Unterlegscheibe, wobei der genannte weibliche Dichtungssitz, die genannte Membrandichtung und die genannte Unterlegscheibe mit einer der genannten permeablen Membranen verbunden sind und eine weibliche Membranunteranordnung umfassen.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 21, die außerdem umfasst einen männlichen Dichtungssitz, eine zweite Membrandichtung und eine zweite Unterlegscheibe, wobei der genannte männliche Dichtungssitz, die genannte zweite Membrandichtung und die genannte zweite Unterlegscheibe mit der anderen der genannten Fluid-durchlässigen Membranen verbunden sind und eine männliche Membranunteranordnung umfassen.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 22, worin jeder der genannten Dichtungssitze, jede der genannten Membrandichtungen, der genannten Unterlegscheiben und der genannten durchlässigen Membranen eine zentral angeordnete Öffnung aufweisen und die genannten Öffnungen koaxial aufeinander ausgerichtet sind und erste und zweite Schweißraupen die Komponenten jeder Unteranordnung miteinander verbinden.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, wobei jede der genannten zwei Drahtgitter-Membranen eine intermetallische Diffusionsbindungs-Sperrschicht aufweist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 24, worin die genannte intermetallische Diffusionsbindungs-Sperrschicht ein dünner Film ist, der mindestens einen Vertreter aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Nitriden, Boriden, Siliciden, Carbiden und Aluminiden, enthält.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, worin die genannten ersten Halter, die genannten zweiten Halter, die genannten Dichtungen, der genannte Permeatplattenflansch und die genannten beiden Membranen an ihrem Umfang miteinander verbunden sind.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 26, worin eine Schweißraupe an dem genannten Umfang jedes der genannten ersten Halter, der genannten zweiten Halter, der genannten Dichtungen, des genannten Permeatplattenflansches und der genannten beiden Membranen angeordnet ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, wobei jede der genannten beiden Drahtgitter-Membranen aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 19, wobei jede der genannten beiden Drahtgitter-Membranen eine Maschenzahl in dem Bereich von etwa 19 bis 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch) aufweist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 29, worin jede der genannten beiden Drahtgitter-Membranen eine Maschenzahl in dem Bereich von 49 bis 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch) aufweist.
Fluid-Trennungsanordung nach Anspruch 27, worin jede der genannten permeablen Membranen und die genannte geschlitzte Permeat-Platte eine zentral angeordnete Öffnung aufweisen, die eine Rohrleitung (Durchgang) bilden.
Fluidtrennungsmodul, der umfasst: eine Vielzahl von Fluid-Trennungsanordungen, wobei jede der genannten Fluid-Trennungsanordungen umfasst: eine geschlitzte Permeat-Platte mit einander gegenüberliegenden Flächen; erste und zweite Drahtgitter-Membranen, wobei jede der genannten Drahtgitter-Membranen eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei jede der ersten Oberflächen der genannten Drahtgitter-Membranen benachbart zu der genannten geschlitzten Permeat-Platte angeordnet ist; erste und zweite Membranen, die für ein gewünschtes Fluid durchlässig sind, wobei jede der genannten durchlässigen Membranen benachbart zu einer der zweiten Oberflächen der genannten Drahtgitter-Membranen angeordnet ist; einen Permeatplattenflansch, der die geschlitzte Permeat-Platte umgibt; erste Halter, die jeweils benachbart zu den genannten durchlässigen Membranen angeordnet sind; zweite Halter, die zwischen der genannten geschlitzten Permeat-Platte und jeder der genannten Drahtgitter-Membranen angeordnet sind; und Dichtungen, die zwischen jeder der genannten Drahtgitter-Membranen und durchlässigen Membranen angeordnet sind, wobei der genannte Permeatplattenflansch, die genannten ersten Halter, die genannten zweiten Halter und die genannten Dichtungen an ihrem Umfang miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Abtrennung eines gewünschten Fluids von einer Fluid-Mischung, das umfasst: die Bereitstellung einer Membran, die für das gewünschte Fluid durchlässig ist und einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist, die Bereitstellung einer Drahtgitter-Membran mit einer intermetallischen Diffusionsbindungs-Sperrschicht, wobei die Drahtgitter-Membran benachbart zu einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Fluid-durchlässigen Membran angeordnet ist; das Inkontaktbringen der Fluid-durchlässigen Membran mit der Fluid-Mischung; und das Inkontaktbringen der Drahtgitter-Membran mit dem gewünschten Fluid, das die Fluid-durchlässige Membran durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 33, das außerdem umfasst: die Herstellung der Sperrschicht aus einem dünnen Film, der mindestens einen Vertreter aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Nitriden, Boriden, Siliciden, Carbiden und Aluminiden, enthält.
Verfahren nach Anspruch 34, das außerdem umfasst: die Herstellung der Drahtgitter-Membran aus einem Gitter aus rostfreiem Stahl mit einer Maschenzahl in dem Bereich von etwa 19 bis etwa 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch).
Verfahren zur Herstellung einer Fluidtrennungsanordnung, das umfasst: die Bereitstellung einer Membran, die für ein gewünschtes Fluid durchlässig ist und einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist; die Bereitstellung eines ersten Halters, der benachbart zu einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Fluid-durchlässigen Membran angeordnet ist; die Bereitstellung einer Drahtgitter-Membran, die eine intermetallische Diffusionsbindungs-Sperrschicht aufweist und benachbart zu der anderen der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Fluid-durchlässigen Membran angeordnet ist; die Bereitstellung einer Permeat-Platte, die benachbart zu der Drahtgitter-Membran angeordnet ist; die Bereitstellung einer Dichtung zwischen der Fluid-durchlässigen Membran und der Drahtgitter-Membran, wobei der Umfang der Dichtung sich über den Umfang der Drahtgitter-Membran hinaus erstreckt; die Bereitstellung eines zweiten Halters zwischen der Dichtung und der Permeat-Platte; und das hermetische Versiegeln des ersten Halters, der Dichtung und des zweiten Halters an ihrem Umfang miteinander.
Verfahren nach Anspruch 36, das außerdem umfasst: die Bildung der Sperrschicht aus einem dünnen Film, der mindestens einen Vertreter aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Boriden, Siliciden, Aluminiden und Nitriden, enthält.
Verfahren nach Anspruch 36, das außerdem umfasst: die Bildung der Drahtgitter-Membran aus einem Gitter aus rostfreiem Stahl mit einer Maschenzahl in dem Bereich von 19 bis 1000 Maschen pro 2,54 cm (1 inch).
Verfahren zum Tragen (Stützen) einer Fluid-durchlässigen Membran, das umfasst: die Bereitstellung einer Membran, die für ein gewünschtes Fluid durchlässig ist und einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist; und die Bereitstellung einer Drahtgitter-Membran mit einer intermetallischen Diffusionsbindungs-Sperrschicht, wobei die Drahtgitter-Membran benachbart zu einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Fluid-durchlässigen Membran angeordnet ist.