CN102448583A - 气体分离模块 - Google Patents

气体分离模块 Download PDF

Info

Publication number
CN102448583A
CN102448583A CN2010800246961A CN201080024696A CN102448583A CN 102448583 A CN102448583 A CN 102448583A CN 2010800246961 A CN2010800246961 A CN 2010800246961A CN 201080024696 A CN201080024696 A CN 201080024696A CN 102448583 A CN102448583 A CN 102448583A
Authority
CN
China
Prior art keywords
supporting member
inorganic porous
porous supporting
export
port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800246961A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102448583B (zh
Inventor
J·E·克林顿
C·R·费克特
顾云峰
宋真
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
Publication of CN102448583A publication Critical patent/CN102448583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102448583B publication Critical patent/CN102448583B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06—Tubular membrane modules
    • B01D63/066—Tubular membrane modules with a porous block having membrane coated passages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/003—Membrane bonding or sealing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/04—Specific sealing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24149—Honeycomb-like

Abstract

一种用在气体分离模块中两端密封的多孔单体结构，该多孔结构(20)的端部被涂料(16a，16b)气密地密封而留下通道敞开；以及一种将气流中各成分分离的方法。

Description

气体分离模块
本申请要求2009年5月28日提交的题为“Gas Separation Module”的美国申请序列号第12/473,505的权益。
领域
本发明涉及一种气体分离模块和用在气体分离模块中两端密封的多孔结构；并还涉及一种将气流的各成分分离的方法。
背景技术
使用具有平行通道(通常呈圆柱形形式)阵列的多孔支承件的单体型隔膜结构以及涂敷在通道壁的内表面上的气体选择性隔膜提供比相同直径的单通道管高的表面面积填料密度，产生较高的渗透通量。这致使单位表面面积的隔膜成本和组装隔膜模块的大表面面积的工程成本都显著降低。这些结构可用于解决重大的能量和环境问题，例如从废气流回收H2、从用于燃料电池应用的生产气体混合物提纯H2、从烟气流捕获CO2进行隔离、以及其它分离。这些分离应用通常需要较高温度以得到更好的分离性能。
当将所要分离的混合物气流供给到单体陶瓷隔膜产品的通道内时，其通过涂敷在通道壁上的隔膜分离，且此后穿过隔膜的孔和支承件的孔以向外流到外部空间。支承件两端的表面区域暴露于气流，两端的表面区域包括端部平坦表面和支承件的外部弯曲表面，两端的表面区域没有隔膜涂料，且因此需要用密封材料密封以防止正在处理的气流穿过露出的表面区域并然后穿过基材的孔并流出隔膜杆。没有端部上的密封涂料就不能实现分离功能。为了进行分离，气流必须进入通道并流过通道壁和基材的外部多孔壁。
当使用诸如环氧或硅胶的低温密封材料时，隔膜杆的两端必须延伸至低温区域，以避免密封材料的降解。这意味着隔膜的某些部分暴露于低温，致使总体分离性能的降低。US 2005/0173332揭示了用于固体/液体分离的在端部处密封的多孔蜂窝过滤结构，其中基于玻璃的密封材料通过使用海绵的冲压机构仅覆加至端部平坦表面。
另一方法是使用高温密封材料来将支承件密封至不锈钢管或致密氧化铝管，所以整个隔膜可暴露于高温。H.Lu等人的Materials Science and EngineeringB，141(2007)第55-60页描述了使用特定密封剂作为高温粘结剂来将钙钛矿隔膜密封在不锈钢管上。Y.Gu等人的J.Membr.Sci.306(2007)216-227描述了通过陶瓷连接用两种致密氧化铝管密封管状隔膜的两端，而C.Zhang等人的J.Membr.Sci.299(2007)261-267使用银密封材料。Y.Teraoka等人的Solid StateIonics177(2006)2245-2248描述了使用玻璃环；这是尤其对小尺寸通道难以覆加至单体隔膜杆的方法。该方法由于支承件和不锈钢或致密陶瓷管之间的永久连接而缺乏灵活性。
本发明的各实施例提供解决以上提到的一个或多个填料密封问题的技术。
发明内容
本文揭示一种可用于将气流中各成分分离的气体分离模块。该模块提供例如高温气体分离、灵活连接并能够方便地实施层沉积和分离性能评估。该设计使得整个无机多孔支承件能够暴露于高温区域，致使更好的分离性能。所描述的灵活连接允许气体分离模块的方便组装。
一个实施例是一种制品，该制品包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件具有选定的长度、入口端、出口端以及入口端与出口端之间的多孔外部弯曲表面，其中无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，该流动通过基材具有多个通道，多个通道具有从入口端延伸到出口端的内表面，一层或多层多孔材料，该一层或多层多孔材料涂敷在无机多孔支承件的通道的内表面上；密封无机多孔支承件的入口端表面和出口端表面的气密涂料；以及在入口端表面和出口端表面中每个起选定距离上密封无机多孔支承件的外部弯曲表面的气密涂料。
另一实施例是一种设备，该设备包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；气密涂料，该气密涂料密封入口端表面和出口端表面以及从入口端表面和出口端表面中每个起选定距离上无机多孔支承件的外部弯曲表面；可移除配件，该可移除配件具有无机多孔支承件的入口端和出口端处的第一端和第二端；以及石墨密封件，该石墨密封件位于无机多孔支承件的外部弯曲表面上的气密涂料与可移除配件的第一端或第二端之间。
又一实施例是一种设备，该设备包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；粘接剂，粘接剂密封入口端表面和出口端表面；配件，该配件具有无机多孔支承件的入口端和出口端处的第一端和第二端；以及粘接剂密封件，该粘接剂密封件位于无机多孔支承件的外部弯曲表面与配件的第一端或第二端之间。
一种分离气流中各成分的方法，包括：上述实施例中的任何一个，将馈入气体通过递送装置引入无机多孔支承件；收集截留气体；以及收集渗透气体；以及其中渗透气体已穿过无机多孔支承件的外部弯曲表面的未涂敷部分。
附图说明
图1示出根据一实施例，无机多孔支承件的一端，无机多孔支承件具有密封无机多孔支承件的端表面和外部弯曲表面的气密涂料。
图2示出根据一实施例，无机多孔支承件的端表面和涂敷通道内表面的多层的无机多孔支承件通道的分解图，
图3示出具有可移除配件和石墨密封件的端部涂敷的无机多孔支承件的实施例。
图4示出可用于将气流的各成分分离的模块。
图5示出根据一实施例具有永久配件和粘接剂密封件的无机多孔支承件的一端。
图6示出气体密封掩模的实施例。
具体实施方式
一个实施例是一种制品，该制品包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件具有选定的长度、入口端、出口端以及入口端与出口端之间的多孔外部弯曲表面，其中无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，该流动通过基材具有多个通道，多个通道具有从入口端延伸到出口端的内表面，一层或多层多孔材料，该一层或多层多孔材料涂敷在无机多孔支承件的通道的内表面上；密封无机多孔支承件的入口端表面和出口端表面的气密涂料；以及在入口端表面和出口端表面中每个起选定距离L上密封无机多孔支承件的外部弯曲表面的气密涂料。
在另一实施例中，在从入口端表面和出口端表面中每个起范围在0.5厘米至3厘米的距离上密封无机支承件的外部弯曲表面。在另一实施例中，在从入口端表面和出口端表面中每个起范围在1厘米至1.5厘米的距离上密封无机支承件的外部弯曲表面。
本文中使用的术语“流动通过基材”是成形本体，该成形本体包括内部通路，内部通路诸如允许流体流流动通过本体的直的或蜿蜒的通道和/或多孔网络。流动通过基材包括沿流动通过方向的尺寸以允许两端的外部弯曲表面上气密涂料之间非涂敷多孔外部弯曲表面的至少一部分。
图1示出涂敷的无机多孔支承件的一实施例10；无机多孔支承件20呈蜂窝基材的形式。在一实施例中，无机多孔支承件包括氧化铝、堇青石、α氧化铝、多铝红柱石、钛酸铝、氧化钛、氧化锆、沸石、金属、不锈钢、碳化硅、二氧化铈或者它们的组合。无机多孔基材可使用任何适当技术制成。由氧化铝、堇青石、氧化铝、钛酸铝、氧化锆、沸石或碳化硅制成的蜂窝基材可通过例如挤压批料通过模具而制成。诸如由不锈钢制成的蜂窝基材的其它蜂窝基材可通过熔焊或钎焊制成。
蜂窝基材20具有多个通道14、端表面12(图1中仅示出一端)、多孔弯曲外表面18、以及敷加至端表面12的气密涂料16a、以及敷加至从端表面12选定距离L上基材的外部弯曲表面18的气密涂料16b。
根据应用场合，无机多孔支承件的通道可以是任何直径。在某些实施例中，通道具有0.5毫米至3毫米、例如0.7毫米至0.8毫米的中值内径。通道的形状可以是任何形状，例如圆形、方形、六角形或卵形。为了示例目的，在该应用的附图中示出圆形通道。
无机多孔支承件的多孔壁可包括例如从1微米至25微米的中值孔尺寸。在一实施例中，中值孔尺寸从5微米至15微米。
无机支承件可具有例如从20％至65％的孔隙率；在一实施例中，孔隙率从35％至50％。
一层或多层多孔材料涂敷在无机多孔支承件内通道的表面上。这些多孔层也可称为隔膜。多孔层可选自氧化铝、α氧化铝、γ氧化铝、沸石、二氧化钛、氧化锆、多铝红柱石、堇青石、金属、钙钛矿、钯、二氧化铈、二氧化硅、沸石或者它们的组合。多孔层的孔隙率可以是颗粒之间空间和/或材料的网格结构内空间形成的。沸石或二氧化硅层的孔例如来自其栅格通道，通常范围在0.3纳米至0.8纳米。孔尺寸小于2纳米的多孔层也可称为致密隔膜。多孔层的孔尺寸范围可例如从1微米至小于200纳米，例如0.3纳米至0.8纳米、或0.3纳米至5纳米。对于气体分离应用，最外部多孔层具有50纳米或更小的孔尺寸。
多孔层可通过流动涂敷、化学气相沉积、水热生长、溶胶-凝胶法或者它们的组合而敷加至通道的表面，包括美国专利申请公开2008/0237919、2009/0000475和2009/0107330中描述的敷加技术。
当有多个层涂敷内表面时，多个层具有从通道壁表面向最外部涂料层减小的平均孔尺寸。例如，随着层从通道壁朝向最外部涂料层进一步移动，多孔层的平均孔尺寸可从1微米逐渐减小至小于200纳米。
图2示出无机多孔支承件的端表面12。通道14的剖切图30示出涂敷通道14内侧的多孔材料的多个层32、34、36、38。每层多孔材料的平均孔尺寸随着层从通道壁40的内表面向涂敷通道壁的最外层多孔材料递进而减小。例如，多孔层32，即通道壁上的第一多孔层具有比多孔层34大的平均孔尺寸。多孔层34具有比多孔层36大的平均孔尺寸。多孔层36具有比多孔层38大的平均孔尺寸。多孔层38，即最外部多孔层具有最小的平均孔尺寸。在某些实施例中，多孔层32的平均孔尺寸小于通道壁40的内表面的平均孔尺寸。尽管图2中示出四层多孔层，但各实施例可具有一层或多层多孔层。
在一实施例中，气密涂料16a、16b密封无机多孔支承件的端表面12和外部弯曲表面18。气密涂料16a仅密封通道壁的多孔端表面，且不阻塞或密封通道开口。气密涂料16b在从无机多孔支承件20每端起的距离L上密封无机多孔支承件20的外部弯曲表面。在某些实施例中，气密涂料也可覆盖通道壁40的内表面的一部分，例如覆盖至从端表面起的距离L并包括距离L。在通道壁的内表面上不需要气密涂料，且较佳地在通道壁的内表面上几乎不存在或完全不存在涂料。如果存在，则通道壁40的内表面上的气密涂料不具有足够的厚度以抑制气流穿入通道14；即，不阻塞进入和穿过通道14。
在一实施例中，气密涂料是玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷材料。在另一实施例中，气密涂料是陶瓷粘接剂。可使用在高温应用下，例如高于250℃下稳定且不反应的任何商业可购得的粘接剂。
使用任何适当技术，例如喷涂或浸涂将气密涂料敷加至无机多孔支承件。在某些实施例中，在涂敷应用之间需要焙烧步骤。某些实施例需要一次涂料敷加，而其它实施例需要两次以上、三次以上、四次以上、六次以上、八次以上、十次以上涂料敷加。涂敷的无机多孔支承件在涂料敷加之前在600-1400℃的温度范围下焙烧0.5-2.0小时。
另一实施例是一种设备，该设备包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；气密涂料，该气密涂料密封入口端表面和出口端表面以及从入口端表面和出口端表面中每个起选定距离上无机多孔支承件的外部弯曲表面；可移除配件，该可移除配件具有无机多孔支承件的入口端和出口端处的第一端和第二端；以及石墨密封件，该石墨密封件在无机多孔支承件的外部弯曲表面上的气密涂料与可移除配件的第一端或第二端之间。
图3示出具有可移除配件52和石墨密封件60的端部涂敷的无机多孔支承件50的实施例。气密涂料16a、16b密封无机多孔支承件20的端表面12和外部弯曲表面18。气密涂料16b从端表面12延伸一定距离，以形成从端表面12至石墨密封件60的密封外部弯曲表面。图3中还示出气体流54。入口流54进入可移除配件52并通过开口通道14进入无机多孔支承件20。由于气密涂料，入口气流54不能在该区域从任何方向(外部向内部或内部向外部)穿过无机多孔支承件的多孔外表面。气体行进通过一定距离以延伸穿过气密涂敷区域16a、16b和石墨密封件60。气体可行进穿过通道、沿通道壁下行或两者的组合。截留气体56沿其路径继续穿过通道14，而渗透气体58穿过多孔层、无机多孔支承件壁以及无机多孔支承件20的无涂料外部弯曲表面18。
图4中示出示例模块100。有一层或多层多孔层和密封入口和出口端表面以及外部弯曲表面的气密涂料16a、16b的无机多孔支承件20用可移除配件52附连至内部管108。石墨密封件60用于形成可移除配件52(具有第一端和第二端)的一端与无机多孔支承件20的涂敷表面16b之间的气密密封，如无机多孔支承件20的一端的剖切图中所示。剖切图中还示出内部管108与可移除配件52的另一端之间的石墨密封件60。
无机多孔支承件20、可移除配件52和内部管108封围在较大直径外壳或外部管110内。外部管110的端部用适当尺寸的可移除配件53密封，可移除配件53具有用于入口气流54、运载气体104、渗透气体/运载气体混合物106以及截留气体56的端口。
不锈钢或致密陶瓷管或其组合可用作用于入口气流、运载气体、渗透气体和截留气体的递送装置和/或封围件。递送装置用于将气流递送入和递送出支承件、设备或模块。在一实施例中，入口气体54通过递送装置108进入无机多孔支承件或模块，而截留气体56通过递送装置108排出无机多孔支承件或模块。递送装置可以是适于应用的任何适合装置。为了示例目的，图4示出递送装置为管108。递送装置不与无机多孔支承面直接接触。递送装置应当尺寸适当设置成用于任何应用或压力要求。递送装置还用于引入运载气体和去除渗透气体和/或运载气体混合物。在连接中使用可移除配件，因为可移除配件允许模块100的构件之间的柔性连接。例如，连接至涂敷无机多孔基材的可移除配件可方便地移除以更换已涂敷的无机多孔基材而不损坏已涂敷的无机多孔基材。可移除配件还允许方便地改变或更换模块的各个构件。可移除配件的一个示例是Swagelok
Figure BPA00001479658600071
不锈钢配件。
模块可放置在管式炉内，不锈钢或致密陶瓷管108、110和相关配件53延伸至出炉区域外部，而整个无机多孔支承件20以及相关石墨密封件60、可移除配件52和管108的端部109留在炉内。该设计使得整个无机多孔支承件20能够暴露在高温区域内，致使更好的分离性能。
可移除配件52与无机多孔支承件的涂敷外部弯曲表面16b之间的气密密封是有利的。使用例如石墨卡套的石墨密封件形成可移除配件52与无机多孔支承件20的涂敷外部弯曲表面16b之间的气密密封。
又一实施例是一种设备，该设备包括：无机多孔支承件，该无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；粘接剂，该粘接剂密封入口端表面和出口端表面；配件，该配件具有无机多孔支承件的入口端和出口端处的第一端和第二端；以及粘接剂密封件，该粘接剂密封件在无机多孔支承件的外部弯曲表面与配件的第一端或第二端之间。
在一实施例中，在无机多孔支承件20的入口端和出口端使用如图5中所示的粘接剂端部密封结构200。粘接剂208用于密封端表面并将气体密封掩模204附连至端表面12。如图5所示，将气体密封掩模204放置在无机多孔支承件20的端表面12上。图6中示出气体密封掩模204，该气体密封掩模204具有对应于端表面12上通道14的开口。气体密封掩模204可以是本文所描述的密封材料。在其它实施例中，气体密封掩模204可以是例如金属、玻璃或陶瓷之类可承受在分离过程中使用的操作温度的材料制成的制件。气体密封掩模204具有与无机多孔支承件20相同的直径，且穿过气体密封掩模的开口214对应于无机多孔支承件20内的通道14，从而不阻碍气体流动通过气体密封掩模进入无机多孔支承件通道14。直径比无机多孔支承件20大的配件206和粘接剂208用于组装端部密封结构200。用放置在无机多孔支承件20与配件206之间的粘接剂208在界面202处气密地密封无机多孔支承件20的外部弯曲表面。配件可由例如致密氧化铝、金属或致密陶瓷的任何适当的非多孔材料制成。配件可以是任何适当形式，例如圆形管。配件还可连接至递送装置，例如连接至管以进行其它附连。粘接剂208还将用于将递送装置组装至配件。递送装置也可整合到配件内，不需要粘接剂密封件来形成能够接纳可移除配件的一个制件以进行其它附连。用粘接剂连接的所有配件是永久配件。递送装置(在图5中示出为管108)的自由端可接纳可移除配件以进行其它附连。
可使用的示例粘接剂为商业可购得并可在高达1600℃下使用的Resbond920。粘接剂的高温烘焙可产生粘接剂至表面的更牢固粘结。粘接剂端部密封允许室温固化、室温至1600℃的应用以及多孔层和粘接剂的几乎没有污染或完全没有污染。
一种分离气流中各成分的方法，包括：上述实施例中的任何一个，将馈入气体通过递送装置引入无机多孔支承件；收集截留气体；以及收集渗透气体；以及其中渗透气体已穿过无机多孔支承件的外部弯曲表面的未涂敷部分。可分离的示例气体成分包括例如H2、CO2、CH4、N2和Ar。
压力是用于气体分离的驱动力。入口气流54处于比无机多孔基材外的压力高的压力下。这强制气体行进穿过多孔层、通道壁和无机多孔基材的未涂敷多孔外表面。
在分离过程期间，入口或馈入气流54行进穿过递送装置108，到达无机多孔支承件20的通道14。入口气流54内的可渗透气体分子流过一层或多层多孔层、通道壁、并然后流过无机多孔支承件20的未涂敷多孔外表面18，到达由封壳或外部管110包含的空间112(参见图4)。可将运载气体104引入外部管110和空间112以将可渗透气体带出模块110。其余的气体分子、截留气体56穿过无机多孔支承件20的通道，并排出模块100。
在示例分离过程中，入口气流54包括气体分子A和B。可渗透气体分子A流过多孔层、通道壁并最终流过未涂敷多孔外表面。其余的气体分子B穿过无机多孔支承件的通道，并排出模块。根据气体混合物、多孔层的材料以及温度，某些B分子可穿过多孔层、通道壁和支承件的未涂敷多孔外表面和/或某些A分子可沿开口通道下行并排出模块。渗透气体58可包含A和B分子的混合物，但渗透混合物内B分子的浓度会小于入口气流54。截留气体56可包含A和B分子的混合物，但截留气体内A分子的浓度会小于入口气流54。
本文描述的模块可用于将一种气体分子从馈入气体或气流选择性地分离。示例气流包括N2/H2、N2/CO2、N2/O2、Ar/H2、H2/CH4/CO2以及CH4/CO2。入口气流54也可包含其它相，诸如气体中的固体颗粒或气流中的液滴。模块也可用于高温下的在线化学反应，反应和分离同时发生。
气体分离可在任何适当条件下发生。馈入气体不应损坏气密密封材料、粘接剂或多孔层。如图4所示具有延伸管的模块100可适于例如在高于250℃的温度下使用，并可在高达400℃、600℃、1000℃和1600℃的温度下使用。一个示例是在400℃-600℃下H2与CO2分离。模块也可在室温下使用。
以上段落已经描述了这样的模块100，其中无机多孔支承件20具有在模块与图4所示外部管110组装之前涂敷有一层或多层多孔层的通道壁。但是，在其它实施例中，在通道壁上没有涂料的无机多孔支承件20可如上所述密封、如图4的剖切图中所示配装有可移除配件52、并放置在具有可移除配件53的封壳或外部管110内。一旦完成组装，可将多孔材料蒸气穿过无机多孔支承件20以形成无机多孔支承件20上的多孔层32。上述方法也可用于将附加多孔层34、36、38放置在无机多孔支承件20的通道14内以增强气体分离性能，尤其是气体选择性。
在一实施例中，在整个无机多孔支承件20暴露于高温(400-600℃)的同时将包含二氧化硅前体蒸气的馈入气流引入通道14，同时运载气体流过外部管110包含的空间112。在二氧化硅前体分解之后，二氧化硅隔膜沉积在通道壁40的内表面上。在另一实施例中，H2-选择性二氧化硅层沉积在通道壁40的内表面上，且使用现有模块布置在600℃下评估分离性能。在一实施例中，可暂时停止多孔层沉积，并将所要分离的气体混合物引入模块，从而用与如上所述相同的气体分离过程评估分离性能。在分离性能评估之后可恢复沉积过程。沉积和气体分离过程可在相同温度下发生而无需冷却、拆解模块、再组装模块和加热至所需的分离温度。保持温度可节约能量和时间。
实例1
该实例具有氧化铝多孔支承件的内表面上的两层多孔氧化铝以及两端表面和从端表面起一定距离上外部弯曲表面上的陶瓷密封涂料。在该实例中使用的氧化铝多孔支承件由α氧化铝制成，外径9.2mm且长度80-150mm，包括在横截面积上均匀分布的平均直径为0.75mm的19个圆形通道。多孔支承件具有8.7微米的中值孔尺寸和水银孔率法测得的43.5％的孔隙率。两层氧化铝多孔层由α氧化铝制成。第一层具有30-50μm的厚度和0.8μm的中值孔尺寸。第二层具有10-20μm的厚度和0.1μm的中值孔尺寸。
使用商业陶瓷浆料(邓肯设想釉(Duncan envision glaze)，清亮IN1001(clear IN1001))用于陶瓷密封涂料。在喷射之前，用等重的去离子(D.I.)水稀释原浆。氧化铝多孔支承件的外表面包裹有特氟隆带，在两端留下10mm的长度未包裹。使用具有H-5颜色部件(Color Part)和HC-5空气帽(Aircap)的来自帕斯喷枪公司(Paasche Airbrush Company)的商用AC-20喷枪来将浆料喷射至目标表面，目标表面包括端表面和氧化铝多孔支承件两端未被特氟隆
Figure BPA00001479658600111
带包裹的外部弯曲表面。空气压力设为35psi。在环境条件下干燥2小时后，将氧化铝多孔支承件放置在箱式炉内并加热至1013℃保持0.5小时，加热速率为每小时120℃。冷却速率为每小时120℃。然后重复相同的喷射和烘焙过程。
实例2
使用实例1中描述的技术制备在氧化铝支承件的内表面上具有三层多孔氧化铝层涂料的氧化铝多孔支承件。将基于玻璃的密封涂料施加在氧化铝多孔支承件的两端表面和外部弯曲表面上，也如实例1中所描述的。
第一多孔层是具有0.8μm的中值孔尺寸和30-50μm的厚度的α氧化铝。第二多孔层是具有0.1μm的中值孔尺寸和5-20μm的厚度的α氧化铝。第三多孔层是具有4纳米BJH(Barrett-Joyner-Halenda)解吸孔直径和2微米厚度的γ氧化铝。
将包含玻璃粉末、填料、粘结剂、有机溶剂的基于玻璃的密封材料浆料喷洒在两个端部上，两个端部包括端表面和从氧化铝多孔支承件的端表面起沿轴向长度为10mm的外部弯曲表面。将密封涂料在800℃温度下烘焙1小时。
实例3
使用实例1中描述的技术制备在氧化铝支承件的内表面上具有三层多孔氧化铝层和一层多孔二氧化硅层的氧化铝多孔支承件。将陶瓷密封涂料施加在氧化铝多孔支承件的两端表面和外部弯曲表面上，也如实例1中所描述的。
第一多孔层是具有0.8μm的中值孔尺寸和30-50μm的厚度的α氧化铝。第二层是具有0.1μm的中值孔尺寸和5-20μm的厚度的α氧化铝。第三层是具有4纳米BJH解吸孔直径和2微米厚度的γ氧化铝。多孔二氧化硅的顶层具有约0.3纳米的孔尺寸和30-100纳米的厚度。陶瓷密封涂料覆盖两个端部，两个端部包括端部平坦表面和从多孔支承件的端部起沿轴向长度为10mm的外部弯曲表面。
实例4
使用实例1中描述的技术制备在氧化铝多孔支承件的内表面上具有两层多孔氧化铝层和一层多孔沸石层的氧化铝多孔支承件。将陶瓷密封涂料施加在氧化铝多孔支承件的两端表面和外部弯曲表面上，也如实例1中所描述的。
第一多孔层是具有0.8μm的中值孔尺寸和30-50μm的厚度的α氧化铝。第二层是具有0.1μm的中值孔尺寸和5-20μm的厚度的α氧化铝。沸石的顶层是致密的，沸石层的孔来自用于气体分离的其栅格通道，通常范围在0.3-0.8纳米。陶瓷密封涂料覆盖两个端部，两个端部包括端表面和从多孔支承件的端表面沿轴向长度为10mm的外部弯曲表面。
实例5
使用如实例1中描述的氧化铝多孔支承件。使用商业陶瓷粘合剂Resbond920(粘接剂)来密封两端。通过将Resbond 920粉末与18体积％的水混合制备粘接剂糊料。在将糊料覆加至表面之前，将表面浸入水中几分钟。端表面涂敷有粘接剂糊料，并使用空气从无机多孔基材吹去多余的粘接剂糊料。将气体密封掩模密封至支承件的每端，且粘接剂固化。将表面再浸入水中几分钟；用粘接剂糊料涂敷外部弯曲表面并组装配件。再用粘接剂连接所有部件之后，将密封的多孔支承件在室温下固化24小时。
应当理解的是，虽然已经相对于本发明某些说明性实施例详细描述了本发明，但不应当认为本发明限于那些实施例，因为在不背离如所附权利要求所限定的本发明的宽广精神和范围的情况下，多种变型也是可能的。
除非另外指出，说明书和权利要求书中使用的所有数值都应理解为在所有情况下用术语“约”修饰，而无论是否确有“约”。应理解，本发明说明书和权利要求书所用的精确数值构成本发明的附加实施例。

Claims (22)

1.一种制品，包括：
无机多孔支承件，所述无机多孔支承件具有选定的长度、入口端、出口端以及所述入口端与所述出口端之间的多孔外部弯曲表面，
其中所述无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，所述流动通过基材具有多个通道，所述多个通道具有从所述入口端延伸至所述到出口端的内表面，
一层或多层多孔材料，所述一层或多层多孔材料涂敷在无机多孔支承件的通道的内表面上；
密封所述无机多孔支承件的所述入口端和所述出口端表面的气密涂料；以及
在所述入口端和所述出口端起选定距离上密封所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面的气密涂料。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述无机多孔支承件呈蜂窝体的形式。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述无机多孔支承件包括氧化铝、堇青石、多铝红柱石、二氧化钛、氧化锆、二氧化铈或者它们的组合。
4.如权利要求2所述的制品，其特征在于，所述无机多孔支承件包括氧化铝。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述一层或多层多孔层可包括氧化铝、二氧化硅、沸石、二氧化钛、氧化锆、多铝红柱石、堇青石、金属、钙钛矿、钯、二氧化铈或者它们的组合。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，当有多个层涂敷所述通道的所述内表面时，所述多个层具有从所述通道壁表面向最外部涂料层减小的平均孔尺寸。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述气密涂料是玻璃密封材料。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述气密涂料是陶瓷密封材料。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述气密涂料在从所述入口端表面和出口端表面中每个起0.5厘米至3厘米的距离上密封所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面。
10.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述气密涂料在从所述入口端表面和出口端表面中每个起1厘米至1.5厘米的距离上密封所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面。
11.一种设备，包括：
无机多孔支承件，所述无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷所述通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；
气密涂料，所述气密涂料密封入口端表面和出口端表面以及从所述入口端表面和出口端表面起选定距离上所述无机多孔支承件的外部弯曲表面；
可移除配件，所述可移除配件具有连接至所述无机多孔支承件的所述入口端和出口端的第一端和第二端；以及
石墨密封件，所述石墨密封件位于所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面上的气密涂料与所述可移除配件的所述第一端或第二端之间。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括在所述无机多孔支承件的所述入口端处连接至配件的递送装置。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备设置在封壳内，所述封壳包括至少一个气体流入口和至少一个气体流出口。
14.一种设备，包括：
无机多孔支承件，所述无机多孔支承件呈流动通过基材的形式，并具有：多孔外部弯曲表面、从入口端向出口端延伸的多个通道、涂敷所述通道的内表面的一层或多层多孔涂料以及选定的长度；
粘接剂，粘接剂密封入口端表面和出口端表面；
配件，所述配件具有连接至所述无机多孔支承件的所述入口端和出口端的第一端和第二端；以及
粘接剂密封件，所述粘接剂密封件位于所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面与所述配件的所述第一端或第二端之间。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，还包括气体密封掩模，所述气体密封掩模敷加至所述无机多孔支承件的所述入口端和出口端上的所述粘接剂密封件。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，还包括在所述无机多孔支承件的所述入口端处连接至配件的递送装置。
17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备设置在封壳内，所述封壳包括至少一个气体流入口和至少一个气体流出口。
18.一种分离气流中各成分的方法，所述方法包括：
提供如权利要求12所述的设备；
将馈入气体通过所述递送装置引入所述无机多孔支承件；
收集截留气体；以及
收集渗透气体；
其中所述渗透气体已穿过所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面的未涂敷部分。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，石墨密封件位于所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面上的所述气密涂料与所述可移除配件之间。
20.一种分离气流中各成分的方法，所述方法包括：
提供如权利要求16所述的设备；
将馈入气体通过所述递送装置引入所述无机多孔支承件；
收集截留气体；以及
收集渗透气体；
其中所述渗透气体已穿过所述无机多孔支承件的所述外部弯曲表面的未涂敷部分。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在高于约250℃的温度下分离气流中各成分。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在高于约250℃的温度下分离气流中各成分。
CN201080024696.1A 2009-05-28 2010-05-24 气体分离模块 Expired - Fee Related CN102448583B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/473,505 US8101010B2 (en) 2009-05-28 2009-05-28 Gas separation module
US12/473,505 2009-05-28
PCT/US2010/035962 WO2010138454A1 (en) 2009-05-28 2010-05-24 Gas separation module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102448583A true CN102448583A (zh) 2012-05-09
CN102448583B CN102448583B (zh) 2015-08-19

Family

ID=42263952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080024696.1A Expired - Fee Related CN102448583B (zh) 2009-05-28 2010-05-24 气体分离模块

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8101010B2 (zh)
EP (1) EP2435162B1 (zh)
JP (1) JP5587404B2 (zh)
CN (1) CN102448583B (zh)
WO (1) WO2010138454A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9186628B2 (en) 2013-01-30 2015-11-17 Honeywell International Inc. Air separation module with clam shell axial support
WO2015146571A1 (ja) * 2014-03-28 2015-10-01 日本碍子株式会社 モノリス型分離膜構造体及びその製造方法
JP6225372B2 (ja) * 2014-08-21 2017-11-08 日本碍子株式会社 セラミックフィルタの製造方法
DE112015005518T5 (de) * 2014-12-09 2017-09-21 Ngk Insulators, Ltd. Trennmembranstruktur und Verfahren zu deren Herstellung
JP6532363B2 (ja) * 2015-09-18 2019-06-19 日本特殊陶業株式会社 分離膜構造体、および分離膜構造体モジュール
KR102204149B1 (ko) * 2016-07-01 2021-01-18 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이. 스테이지 시스템, 리소그래피 장치, 위치설정 방법 및 디바이스 제조 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6126833A (en) * 1999-02-22 2000-10-03 Ceramem Corporation Cross-flow filtration device with filtrate conduit network and method of making same
EP1704909A2 (en) * 2005-03-22 2006-09-27 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic filter

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5021204A (en) * 1981-07-15 1991-06-04 Corning Incorporated Method for selectively charging honeycomb structures
JPS59186621A (ja) * 1983-04-05 1984-10-23 Ngk Insulators Ltd 多孔体
FR2560526B1 (fr) * 1984-03-05 1989-10-06 Ceraver Dispositif de separation par membrane, et procedes de fabrication de celui-ci
JPH0611370B2 (ja) * 1987-08-24 1994-02-16 日本碍子株式会社 濾過器
FR2642328B1 (fr) * 1989-01-27 1991-04-12 Ceramiques Tech Soc D Procede d'assemblage dans un module d'un element rigide a membrane de separation, de filtration, ou de transformation catalytique
US5223318A (en) * 1990-08-06 1993-06-29 Corning Incorporated Titania substrates and fabrication
DE4324347A1 (de) 1992-07-23 1994-01-27 Noritake Co Ltd Monolithischer Keramikfilter
FR2696947B1 (fr) * 1992-10-20 1994-11-25 Ceramiques Tech Soc D Module de filtration, de séparation, de purification de gaz ou de liquide, ou de transformation catalytique.
JP4367678B2 (ja) * 2000-04-27 2009-11-18 日本碍子株式会社 セラミックフィルタ
JP4823442B2 (ja) * 2001-07-02 2011-11-24 株式会社ノリタケカンパニーリミテド ガス分離材及びその製造方法並びにリアクター
JP3933907B2 (ja) 2001-10-23 2007-06-20 日本碍子株式会社 ガス分離体固定構造体及びそれを用いたガス分離装置
US6716275B1 (en) 2001-12-11 2004-04-06 Sandia Corporation Gas impermeable glaze for sealing a porous ceramic surface
JP2005219015A (ja) * 2004-02-09 2005-08-18 Ngk Insulators Ltd 多孔質構造体の端部シール方法、端部シール装置及び端部シールが施された多孔質構造体
US7517379B2 (en) * 2005-12-16 2009-04-14 Corning Incorporated Honeycomb filters with reduced number of unplugged partial peripheral cells and methods of manufacturing same
JP2010512302A (ja) 2006-12-11 2010-04-22 コーニング インコーポレイテッド アルファアルミナ無機膜支持体およびその製造方法
US8393478B2 (en) 2007-02-27 2013-03-12 Corning Incorporated Inorganic membranes and method of making
GB0704797D0 (en) * 2007-03-13 2007-04-18 Phoenix Ipr Ltd Membrane structures and their production and use
US8006637B2 (en) 2007-03-29 2011-08-30 Corning Incorporated Method and apparatus for membrane deposition
US7767256B2 (en) 2007-05-31 2010-08-03 Corning Incorporated Method for preparing a porous inorganic coating on a porous support using certain pore fillers
US7767257B2 (en) 2007-05-31 2010-08-03 Corning Incorporated Method for preparing a porous inorganic coating on a porous support using certain pore formers
US20090000475A1 (en) 2007-06-29 2009-01-01 Curtis Robert Fekety Zeolite membrane structures and methods of making zeolite membrane structures
US20090107330A1 (en) 2007-10-30 2009-04-30 Yunfeng Gu Amorphous silica hybrid membrane structure

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6126833A (en) * 1999-02-22 2000-10-03 Ceramem Corporation Cross-flow filtration device with filtrate conduit network and method of making same
EP1704909A2 (en) * 2005-03-22 2006-09-27 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic filter

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010138454A1 (en) 2010-12-02
CN102448583B (zh) 2015-08-19
JP5587404B2 (ja) 2014-09-10
EP2435162A1 (en) 2012-04-04
JP2012528006A (ja) 2012-11-12
EP2435162B1 (en) 2013-09-25
US8101010B2 (en) 2012-01-24
US20100300294A1 (en) 2010-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102448583B (zh) 气体分离模块
CN101351263B (zh) 陶瓷过滤器
EP2689828B1 (en) Honeycomb-shaped ceramic separation-membrane structure
US20100251888A1 (en) Oxygen-Ion Conducting Membrane Structure
EP2915577B1 (en) Zeolite membrane regeneration method
EP2161073B1 (en) Inorganic separation membrane complex, and production thereof
US6174490B1 (en) Method for producing an exchanger
CN102427872A (zh) 陶瓷渗透汽化膜以及陶瓷蒸汽透过膜
CN101318106A (zh) 由多根中空纤维陶瓷膜并列连接构成的板状陶瓷膜及制法
JP2021016858A (ja) 分離装置、および、分離装置の運転方法
CN108883377B (zh) 多孔质支撑体、多孔质支撑体的制造方法、分离膜结构体以及分离膜结构体的制造方法
US20170144938A1 (en) Monolith
US20030184954A1 (en) Separation module and method for producing the same
JP2003010658A (ja) ガス分離材及びその製造方法並びにリアクター
US6712131B1 (en) Method for producing an exchanger and exchanger
JP4065733B2 (ja) 流体分離フィルタ及び流体分離モジュール
JP4065732B2 (ja) 流体分離モジュール
JP2002274967A (ja) γアルミナ質多孔体およびその製造方法並びにこれを用いた流体分離フィルタ
JP2002292253A (ja) フィルタモジュール
JP2004141809A (ja) 流体分離フィルタ及び流体分離モジュール
JP2002102640A (ja) ガス分離モジュールおよびガス分離装置
JPH04358528A (ja) 回転濾過装置
JP4703023B2 (ja) フィルタモジュール
JP6479534B2 (ja) 分離膜構造体とその製造方法
JP2002292252A (ja) フィルタモジュール

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150819

Termination date: 20180524

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee