ES2267434T3 - Juntas flexibles resistentes a las altas temperaturas para materiales diferentes. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto de sellado incluyendo: (a) un elemento metálico (33) en el que se ha forma- do un agujero cilíndrico (37); (b) un tubo cerámico (35) situado coaxialmente de- ntro del agujero cilíndrico y que forma un anillo (31) entre el elemento metálico y el tubo cerámico; y (c) una pila de varios elementos de sellado (25, 27) incluyendo cada uno un aro toroidal metálico que tiene una sección transversal axial que define una figura pla- na, donde la figura plana encierra parcialmente una zona que tiene un lado abierto y un lado cerrado, y donde el aro toroidal tiene una anchura de aro y un grosor de me- tal tales que la relación de la anchura de aro al grosor de metal sea superior a 15 y hasta 40, donde el aro to- roidal incluye elementos interior (5) y exterior (7) que encierran parcialmente un volumen circunferencial (3) que tiene un lado abierto y un lado cerrado, donde el lado abierto está orientado en una dirección generalmente axial con relación al aro toroidal, pila que está situada enel anillo y en contacto con el elemento metálico y el tubo cerámico; donde los elementos de sellado se espacian usando un espaciador (29).
Description
Juntas flexibles resistentes a las altas
temperaturas para materiales diferentes.
Se precisan juntas de cerámica a metal en
algunos procesos que operan a altas temperaturas y que pueden operar
en entornos químicamente activos. Tales juntas estancas son
necesarias en termointercambiadores cerámicos a alta temperatura,
pilas de combustible, sensores de gas, filtros de gas caliente, y
reactores de membrana cerámica que producen oxígeno o gas de
síntesis. Un problema común en el diseño y la operación de tales
juntas estancas es que la cerámica y los metales suelen tener
diferentes coeficientes de expansión térmica, que pueden producir
fallos de las juntas estancas debido a esfuerzos mecánicos en las
juntas estancas durante el calentamiento y el
enfriamiento.
enfriamiento.
Un tipo de junta estanca para unir cerámica y
metales utiliza mezclas o combinaciones seleccionadas de cerámica,
vidrios, o composiciones de soldadura fuerte de metales para formar
una junta estanca graduada fundida a los elementos de cerámica y
metal a unir. Un método para unir materiales cerámicos que tienen
coeficientes de expansión térmica disimilares es la junta estanca de
vidrio graduada. Este tipo de junta estanca se usa para unir un
vidrio de baja expansión como Pyrex^{TM} o sílice fundida a una
cerámica de expansión relativamente más alta como alúmina o mullita.
La junta estanca se forma formando varias capas de vidrios con
coeficientes de expansión térmica entre los dos elementos de extremo
de tal manera que el coeficiente de expansión térmica de la junta
estanca forme una transición gradual de un elemento de extremo al
otro. Estos tipos de juntas estancas, aunque son estancas a los
gases, se limitan a temperaturas operativas relativas bajas
(\leq\sim600°C) y presiones casi ambiente.
Un acercamiento alternativo ha sido el uso de
soldaduras de metal blandas tales como aleaciones de plata y oro.
Este tipo de junta estanca puede acomodar pequeñas diferencias en
los coeficientes de expansión térmica; sin embargo, está limitado en
la temperatura y presión operativas por el punto de fusión de las
aleaciones y la resistencia a la deformación a alta temperatura de
las aleaciones. El ciclo térmico de este tipo de junta estanca puede
dar lugar a fisuración de la cerámica si el coeficiente de expansión
térmica de la cerámica es significativamente diferente del de la
aleación.
Se puede usar juntas estancas de los tipos
descritos anteriormente en reactores que utilizan membranas de
cerámica y óxido de metal conductoras mezcladas que conducen iones
oxígeno. Se exponen ejemplos representativos o ilustrativos de esta
aplicación para juntas estancas fundidas en las Patentes de Estados
Unidos 5.599.383, 5.561.373, 5.712.220 y 5.725.218.
Alternativamente, los elementos cerámicos y
metálicos se pueden sellar por dispositivos mecánicos de sellado que
contactan, pero no se funden con, los materiales metálicos y
cerámicos a sellar. Tales dispositivos de sellado pueden permitir
cierto movimiento entre los elementos metálicos y cerámicos,
aliviando por ello los esfuerzos producidos por grados diferentes de
expansión durante el calentamiento y enfriamiento.
La Patente de Estados Unidos 5.358.262 describe
un elemento de sellado multicapa para uso entre componentes
metálicos y cerámicos a altas temperaturas. El elemento se compone
de fibras cerámicas alargadas, malla metálica trenzada, y fibra
cerámica trenzada, y el elemento compuesto se puede convertir en una
junta tórica para uso en una junta estanca con pestaña.
Una junta estanca para un elemento sensor de gas
de cerámica se describe en la Patente de Estados Unidos 5.795.454 en
el que el sensor se mantiene en un agujero de metal longitudinal por
una pila de cuerpos sellantes cerámicos sinterizados comprimidos.
Una junta estanca similar se describe en la Publicación de Patente
alemana DE 195 32 090 A1.
La Patente de Estados Unidos 5.401.406 describe
un dispositivo de sellado para sellar un elemento filtro de cerámica
a alta temperatura en un alojamiento metálico donde un material de
junta estanca de fibra cerámica se comprime entre elementos
metálicos y cerámicos que tienen diferentes coeficientes de
expansión térmica. Otro tipo de filtro cerámico a alta temperatura
se describe en la Patente de Estados Unidos 4.735.635 en la que
elementos filtro tubulares de cerámica, teniendo cada uno un
saliente ampliado en el extremo abierto, se introducen en una lámina
de tubo metálica que tiene agujeros más pequeños que los salientes
de tubo. Material de junta estanca de alta temperatura se coloca
entre cada saliente de tubo y la lámina de tubo, y la junta estanca
se comprime en posición ejerciendo fuerza de compresión en los
extremos de los tubos cerámicos.
Una junta estanca de cerámica a metal de alta
temperatura para un termointercambiador cerámico se describe en un
artículo titulado "Development of a
High-Temperature Ceramic to Metal Seal" por S. B.
M. Beck y colaboradores en Proc Instn Mech Engrs Vol 211
Parte E, páginas 109-114. La junta estanca utiliza
una caja de relleno con un material de empaquetadura de cuerda de
alúmina tejida que se comprime en posición por un dispositivo de
tornillo que empuja el material de empaquetadura contra las partes
metálicas y cerámicas a sellar.
Se describen juntas de cerámica a metal para
reactores conductores iónicos de electrolito sólido genéricamente en
las Patentes de Estados Unidos 5.820.654 y 5.820.655 en las que se
facilitan juntas estancas a menos que 300°C por soldadura o
soldadura entre elementos de cerámica y metal. Se afirma que se
puede usar juntas tóricas, fuelles u otros medios mecánicos. Se
describe que los tubos cerámicos se pueden sellar a láminas de tubo
deslizando juntas tóricas de material y diseño no especificados.
Los componentes metálicos y cerámicos se pueden
sellar por medios de fuelle de metal flexible que se sueldan o
broncesueldan en posición como se describe en los artículos
titulados "Catalytic Inorganic Membrane Reactors: Present
Experience and Future Opportunities" por G. Saracco y
colaboradores en Catal. Rev., Sci. Eng., 36 (2),
305-384, páginas 366-368 y
"Development of a High Temperature Resistant Module for Ceramic
Membranes" por F. M. Velterop y colaboradores en Key
Engineering Materials, Vols. 61 y 62 (1991), páginas
391-394.
El diseño y la operación de los sistemas
reactores de membrana conductora mezclada de alta temperatura para
la producción de oxígeno, gas de síntesis, y otros productos de
hidrocarbono utilizarán geometría tubular dentro de los módulos de
reactor y para conexiones de tubos con los módulos de reactor para
alimentación y flujo de gas producido. Se requieren juntas de
cerámica a metal en estos sistemas de reactor para segregar los
gases de alimentación y producidos a temperaturas de proceso
elevadas en el rango de 500°C a 1000°C. Tales juntas estancas deben
ser capaces de ciclar entre temperatura ambiente y temperatura
operativa segregando al mismo tiempo gases con presiones
diferenciales elevadas a través de las juntas estancas. La invención
descrita más adelante y definida por las reivindicaciones
siguientes proporciona juntas estancas de material flexible para
tales aplicaciones de alta temperatura, en particular para uso en la
operación de sistemas de reactor de membrana cerámica.
La invención es un conjunto de sellado y un
método de sellar como los definidos en las reivindicaciones anexas.
El conjunto de sellado incluye una pila de varios elementos de
sellado que incluyen un aro toroidal metálico que tiene una sección
transversal axial que define una figura plana, donde la figura plana
encierra parcialmente una zona que tiene un lado abierto y un lado
cerrado, y donde el aro toroidal tiene una anchura de aro y un
grosor de metal de manera que la relación de la anchura de aro al
grosor de metal sea superior a 15 y hasta 40. El aro toroidal
incluye un material metálico que se puede recubrir al menos en parte
con un recubrimiento metálico. El material metálico puede incluir
uno o más elementos seleccionados del grupo que consta de hierro,
níquel, cromo, tungsteno, molibdeno, y cobalto. El recubrimiento
metálico puede incluir uno o más elementos seleccionados del grupo
que consta de oro, cobre, níquel, paladio, y platino. Los elementos
de sellado están espaciados por un espaciador.
El aro toroidal incluye típicamente elementos
interior y exterior que encierran parcialmente un volumen
circunferencial que tiene un lado abierto y un lado cerrado, donde
el lado abierto está orientado en una dirección generalmente axial
con relación al aro toroidal. El lado abierto de la figura plana se
puede orientar en una dirección generalmente axial con relación al
aro toroidal. El conjunto de sellado de la invención incluye
específicamente:
(a) un elemento metálico en el que se ha formado
un agujero cilíndrico;
(b) un tubo cerámico situado coaxialmente dentro
del agujero cilíndrico y que forma un anillo entre el elemento
metálico y el tubo cerámico; y
(c) elementos de sellado apilados en el anillo y
en contacto con el elemento metálico y el tubo cerámico, donde los
elementos de sellado incluyen un aro toroidal que tiene una sección
transversal axial que define una figura plana, donde la figura plana
encierra parcialmente una zona que tiene un lado abierto y un lado
cerrado, y donde el aro toroidal incluye un material metálico,
elementos de sellado que están espaciados por un espaciador.
El material metálico del aro toroidal puede
incluir uno o más elementos seleccionados del grupo que consta de
hierro, níquel, cromo, tungsteno, molibdeno y cobalto. El material
metálico del aro toroidal se puede recubrir al menos en parte con un
recubrimiento metálico que incluye uno o más elementos seleccionados
del grupo que consta de plata, oro, cobre, níquel, paladio y
platino. El aro toroidal tiene típicamente una anchura de aro y un
grosor de metal tal que la relación de la anchura de aro al grosor
de metal sea superior a aproximadamente 15 y hasta 40. El lado
abierto de la figura plana está orientado en una dirección
generalmente axial con relación al aro toroidal.
La invención incluye un método para sellar un
elemento metálico y un elemento cerámico que incluye:
(a) disponer un anillo entre el elemento
metálico y un elemento cerámico cilíndrico;
(b) colocar una pila de elementos de sellado
anteriores en el anillo; y
(c) mantener un primer gas a una primera presión
en un volumen anular definido por una primera porción del anillo y
el lado abierto del aro toroidal;
(d) mantener un segundo gas a una segunda
presión en un volumen anular definido por una segunda porción del
anillo y el lado cerrado del aro toroidal, donde la segunda presión
es inferior a la primera presión, y donde la presión diferencial
entre el primer gas y el segundo gas empuja los elementos interior y
exterior del aro toroidal contra el elemento cerámico cilíndrico y
el elemento metálico respectivamente para efectuar una junta estanca
activada por presión donde el lado abierto del aro toroidal está
orientado hacia el lado de presión más alta de la junta estanca
fuera del elemento cerámico y el elemento de metal.
El primer gas puede ser un gas conteniendo
oxígeno y el segundo gas puede ser un gas conteniendo oxígeno que
tiene una concentración de oxígeno más alta que el primer gas.
Alternativamente, el primer gas puede incluir uno o más componentes
seleccionados del grupo que consta de metano, hidrógeno, monóxido de
carbono, y dióxido de carbono, y el segundo gas es un gas
conteniendo oxígeno.
El aro toroidal metálico puede incluir uno o más
elementos seleccionados del grupo que consta de hierro, níquel,
cromo, tungsteno, molibdeno, y cobalto. El recubrimiento metálico
puede incluir uno o más elementos seleccionados del grupo que consta
de plata, oro, cobre, níquel, paladio, y platino.
La figura plana formada por la sección
transversal axial se puede describir por una forma general
seleccionada del grupo que consta de U, V e Y. Opcionalmente, el
lado inferior cerrado del volumen circunferencial del aro toroidal
se puede soportar por un material contiguo contenido en el anillo,
donde el material contiguo es un polvo, una fibra, o una mezcla de
un polvo y una fibra.
En una realización preferida, la figura plana
formada por la sección transversal axial del aro toroidal tiene
forma de U, formando por ello un aro toroidal en forma de U que
tiene un lado abierto y un lado cerrado. El aro toroidal tiene
típicamente una anchura de aro y un grosor de metal tal que la
relación de la anchura del aro al grosor de metal sea superior a
aproximadamente 15 y hasta 40. En esta realización preferida, el
lado inferior cerrado del volumen circunferencial del aro toroidal
se puede soportar por un material contiguo contenido en el anillo,
donde el material contiguo es un polvo, una fibra, o una mezcla de
un polvo y una fibra. La junta estanca incluye además un aro
toroidal en forma de U adicional, donde el aro toroidal en forma de
U adicional incluye un material metálico recubierto al menos en
parte con un recubrimiento metálico. El aro toroidal en forma de U y
el aro toroidal en forma de U adicional pueden estar situados
adyacentes en el anillo, donde el lado abierto de cada aro toroidal
en forma de U está orientado en la misma dirección axial. Un
espaciador está colocado entre el lado cerrado del aro toroidal en
forma de U y el lado abierto del aro toroidal en forma de U
adicional.
El elemento metálico puede tener un agujero
cilíndrico y el elemento cerámico cilíndrico puede incluir un tubo
cerámico, donde el anillo se define por la colocación del tubo
cerámico coaxialmente dentro del agujero cilíndrico en el elemento
metálico. El elemento metálico puede incluir uno o más elementos
seleccionados del grupo que consta de hierro, níquel, cromo,
tungsteno, molibdeno, y cobalto. El elemento metálico, el elemento
cerámico cilíndrico, y el aro toroidal se mantienen típicamente a
temperaturas entre aproximadamente 400°C y aproximadamente
1000°C.
La figura 1 es una vista en sección en
perspectiva de un elemento sellante adecuado para uso en la presente
invención.
La figura 2 es una vista en sección en
perspectiva de un conjunto de sellado de la presente invención.
La figura 3 es una vista en sección transversal
de un conjunto de sellado usando el elemento sellante de la figura
2.
Las figuras 4A y 4B son geometrías alternativas
de junta estanca de la presente invención.
La presente invención abarca juntas estancas de
alta temperatura que utilizan aros sellantes metálicos flexibles o
elementos de sellado en los que la presión diferencial aplicada a
través de la junta estanca sirve para activar la junta estanca y
promover el sellado aceptable a presiones de proceso elevadas. La
naturaleza flexible del elemento sellante adecuado para uso permite
diferencias en la expansión térmica entre los materiales a sellar.
El rendimiento del elemento sellante se puede mejorar recubriendo el
elemento sellante metálico con un recubrimiento metálico blando o
fluido tal como plata u oro y/o reforzando el elemento sellante con
un lecho de polvo fino. El material metálico del elemento sellante
se elige de tal manera que el elemento responda al esfuerzo
elásticamente, incluso a temperaturas elevadas, permitiendo que la
junta estanca realice un sellado apropiado y la segregación de gas a
través de múltiples ciclos térmicos y/o de presión. Una
característica del aro sellante es que el metal usado para formar el
aro es fino con relación a la anchura del aro, lo que imparte un
alto grado de conformidad o flexibilidad a las partes activas del
aro.
Una junta estanca se define aquí como un
dispositivo para segregar dos fluidos que están típicamente a
presiones diferentes en regiones adyacentes de un aparato o sistema
de proceso, donde la finalidad de la junta estanca es minimizar el
escape de fluido de una región de presión más alta a una región de
presión inferior adyacente. Las juntas estancas absolutas son
difíciles o imposibles de lograr en muchas aplicaciones prácticas.
El objetivo del diseño de junta estanca y la operación de la
presente invención es limitar el escape a un nivel aceptable que no
afecte adversamente a la operación del proceso que utiliza la junta
estanca. La economía del proceso, la pureza del producto, la
estabilidad del sistema, y la seguridad se deben considerar al
evaluar el impacto de los escapes y el diseño de la junta
estanca.
Cada elemento sellante se fabrica en forma de un
aro toroidal, que se define aquí como el cuerpo formado por la
rotación de una figura plana alrededor de una línea o eje de
rotación que está en el mismo plano que la figura plana, pero no lo
interseca. El eje de rotación es el eje del aro toroidal. Por
consiguiente, la sección transversal axial de un aro toroidal se
define por la intersección del aro con un plano, donde el eje del
aro toroidal está totalmente en el plano. Como ilustración, la
rotación de un disco alrededor de un eje de rotación que está en el
mismo plano que el disco forma un aro toroidal típicamente conocido
como una junta tórica, y la sección transversal axial de la junta
tórica forma un disco.
Cada elemento sellante tiene una sección
transversal axial que forma una forma o figura plana que define una
zona que tiene un lado abierto y un lado cerrado. El lado abierto de
la figura formada por la sección transversal está orientado en una
dirección generalmente axial con relación al aro toroidal, y el lado
cerrado está orientado en una dirección generalmente opuesta del
lado abierto. Igualmente, el aro toroidal define un volumen
circunferencial general encerrado o definido por un lado abierto y
un lado cerrado. Típicamente el lado abierto del aro toroidal está
orientado en una dirección generalmente axial y el lado cerrado está
orientado en una dirección axial generalmente opuesta al lado
abierto. El volumen circunferencial está orientado típicamente en a
dirección generalmente axial.
El término "lado abierto" utilizado al
describir la sección transversal del aro toroidal significa la
porción de la sección transversal de la junta estanca que está en
comunicación o contacto directo con el fluido en el lado de presión
más alta de la junta estanca. El lado abierto está orientado por lo
general en una dirección generalmente axial, pero en algunas
realizaciones podría estar orientado en una dirección generalmente
radial. El término "lado cerrado" significa la porción de la
sección transversal de la junta estanca que está en comunicación o
contacto directo con el fluido en el lado de presión más baja de la
junta estanca. De forma similar, el término "lado abierto"
utilizado al describir el volumen circunferencial encerrado por el
aro toroidal significa la porción del cuerpo de junta estanca que
está en comunicación o contacto directo con el fluido en el lado de
presión más alta de la junta estanca. El término "lado cerrado"
significa la porción de la junta estanca en el lado opuesto al lado
abierto, donde el lado cerrado está en comunicación o contacto
directo con el fluido en el lado de presión más baja de la junta
estanca. El término "interior" se refiere a un punto más
próximo al eje del aro y el término "exterior" se refiere a un
punto más alejado del eje del aro. La dirección interior es la
dirección radial hacia el eje y la dirección exterior es la
dirección radial alejándose del eje.
Como se describe con mayor detalle más adelante,
el elemento sellante del aro toroidal puede tener cualquier forma
con un lado abierto que permite que el fluido a presión más alta se
expanda o empuje porciones del aro contra el elemento interior y el
elemento exterior de un conjunto de sellado anular. Por lo tanto, el
elemento sellante de aro toroidal se define como una junta estanca
activada por presión.
Como ejemplo, uno de los elementos sellantes
preferidos tiene una sección transversal axial que define un cuerpo
en forma de U en el que el extremo abierto de la U está orientado en
la dirección axial y el extremo cerrado de la U está orientado en la
dirección axial opuesta. Cuando se usa en un conjunto de sellado
como se describe más adelante, el lado abierto de la U está en
contacto con el fluido a presión más alta y el lado cerrado de la U
está en contacto con el fluido a presión más baja. El aro toroidal
definido por la rotación del cuerpo en forma de U alrededor del eje
se ilustra en la figura 1, que muestra el aro que tiene un eje 1 y
un volumen o ranura circunferencial 3 definido por el elemento
interior 5 y el elemento exterior 7. El aro de la figura 1 no se
representa necesariamente a escala, sino que pretende ilustrar las
características generales del aro. El extremo abierto del volumen o
ranura circunferencial 3 está orientado en la misma dirección que el
eje 1, es decir, está orientado axialmente.
Las dimensiones del aro se definen de la
siguiente manera. La anchura de aro se define como la distancia
radial entre las porciones interior y exterior del aro. Por ejemplo,
con referencia a la figura 1, la anchura de aro es la distancia
radial entre la superficie interior del elemento interior 5 y la
superficie exterior del elemento exterior 7. La altura del aro se
define como la distancia axial entre los planos superior e inferior
definidos por las partes superior e inferior del aro definido en la
dirección axial. Por ejemplo, con referencia a la figura 1, la
altura del aro es la distancia axial entre un plano superior formado
por las partes superiores del elemento interior 5 y el elemento
exterior 7 y un plano inferior tangente a la superficie curvada
exterior inferior de la sección en forma de U. El diámetro exterior
del aro es la dimensión más grande del aro en la dirección radial.
Por ejemplo, con referencia a la figura 1, el diámetro exterior del
aro se mide desde un punto en la superficie exterior del elemento 7
al punto correspondiente en el lado opuesto 180 grados alrededor del
aro.
El grosor de metal se define como el grosor
medio de los brazos o elementos flexibles del aro. Por ejemplo, con
referencia a la figura 1, el grosor de metal es la distancia radial
media entre la superficie interior del elemento interior 5 y la
superficie exterior del elemento interior 5. Alternativamente, el
grosor de metal es la distancia radial media entre la superficie
interior del elemento exterior 7 y la superficie exterior del
elemento exterior 7. El grosor de los brazos o elementos flexibles
puede no ser uniforme en las direcciones radial y/o axial, y por
esta razón el grosor de metal se define en términos de un grosor de
metal medio.
Una realización de la invención incluye dos aros
en U como se representa en la figura 2. En esta realización, el aro
en U 25 se apila encima del aro en U 27 y los aros están separados
por un espaciador 29. Este conjunto de aro doble mejora la acción de
sellado incrementando el área total de contacto sellante con el
elemento interior 5 y el elemento exterior 7. Además, el conjunto de
aro doble realiza la alineación de los elementos sellados, por
ejemplo los elementos 33 y 35 en la figura 3. Esta alineación axial
es un factor importante para lograr una junta estanca aceptable.
Son posibles otras secciones transversales
axiales del elemento sellante o aro toroidal que forman figuras
planas que tienen otras formas generales, de las que algunas se
pueden describir esquemáticamente mediante las letras V e Y como se
describe con mayor detalle más adelante. Se pueden contemplar otras
formas más complejas que tienen propiedades mecánicas similares. La
característica común de estas figuras planas es que el aro toroidal
definido por cada figura tiene un volumen circunferencial que está
orientado en una dirección generalmente axial y contacta un fluido a
presión más alta con relación a un fluido a presión más baja en el
lado cerrado, y el fluido a presión más alta expande o empuja los
brazos o elementos flexibles del aro contra el elemento interior y
el elemento exterior de un conjunto de sellado anular.
Los elementos sellantes o aros toroidales se
pueden hacer de cualesquiera materiales metálicos que tengan el
rendimiento mecánico apropiado en el rango deseado de temperaturas
operativas, una resistencia suficiente para soportar la presión
diferencial a través de la pared de sellado, y una resistencia a la
deformación suficientemente alta a la temperatura operativa para
asegurar que se deforme, al menos en parte elásticamente, bajo la
influencia de la presión aplicada. El material metálico puede ser un
metal único o una aleación que tenga las propiedades requeridas. Se
prefiere una aleación, y la aleación puede incluir elementos
seleccionados del grupo que consta de hierro, níquel, cromo,
tungsteno, molibdeno y cobalto. Las aleaciones preferidas incluyen
las que contienen níquel, disponibles en el mercado, Inconel 600,
Inconol 625, Incoloy 800 y Haynes 230.
El grosor de metal requerido en un elemento o
aro sellante dependerá de la forma en sección transversal, la
anchura del aro, la altura del aro, y también puede depender de la
presión diferencial hallada en una junta estanca operativa formada
por el aro. Dado que el aro aplica presión mecánica al elemento
cerámico, que es un material relativamente quebradizo, el grosor de
metal es preferiblemente pequeño con relación a la anchura o altura
del aro para minimizar la fuerza elástica o flexible del aro contra
la cerámica. En general, la relación preferida de la anchura de aro
al grosor de metal es superior a 15 y puede ser del orden de hasta
40.
Los aros en U descritos en las figuras 1 y 2,
por ejemplo, pueden tener un grosor de metal típicamente 98 \mum
(0,004 pulgada) a 147 \mum (0,006 pulgada), una anchura de aro de
2,45 mm (0,100) a 3,68 mm (0,150 pulgada), una altura del aro de
2,45 mm (0,100) a 4,9 mm (0,200 pulgada), y un diámetro interior del
aro de entre 6,13 mm (0,250) y 4,9 cm (2,00 pulgada).
Un elemento sellante o aro toroidal como se ha
descrito anteriormente se puede utilizar tal como se fabrica, o
alternativamente y preferiblemente se puede recubrir con un
recubrimiento fluido más blando que se conforme a irregularidades
menores en las superficies de los elementos a sellar. El
recubrimiento se puede aplicar a toda la superficie del aro o se
puede aplicar a porciones seleccionadas de la superficie del aro que
contactan las superficies de los elementos a sellar. Preferiblemente
el recubrimiento es un metal más blando tal como plata u oro, o
aleaciones conteniendo plata u oro, y se recubre en al menos una
porción de la superficie del aro. Se pueden usar otros metales,
solos o en aleaciones, tales como cobre, níquel, paladio y
platino.
También es importante la aleación de la que se
fabrica el elemento sellante o aro en U. La aleación deberá mantener
suficiente funcionamiento elástico en el rango deseado de
temperaturas operativas, tener suficiente resistencia para soportar
la presión diferencial a través de una pared fina, y tener una
resistencia a la deformación suficientemente alta a la temperatura
operativa para asegurar que se deforme elásticamente bajo la
influencia de la presión aplicada. Como se ha explicado
anteriormente, el elemento sellante o aro en U se recubre
preferiblemente, al menos en sus superficies exteriores y, si se
desea, en la superficie completa, con un metal relativamente blando.
Este recubrimiento más blando se conforma a irregularidades menores
en la superficie exterior de tubo cerámico y la superficie interior
del elemento de metal que forma el límite exterior de anillo,
mejorando por ello el rendimiento de la junta estanca.
Un conjunto de sellado que utiliza los aros
toroidales en forma de U dobles de la figura 2 se ilustra en sección
transversal en la figura 3. El conjunto de aro en U doble incluye el
aro en U superior 25, el aro en U inferior 27, y el espaciador 29
que está situado entre los aros en U representados. El conjunto de
aro en U doble se inserta en el anillo 31 formado entre un agujero
cilíndrico en el elemento de metal 33 y el diámetro exterior del
tubo cerámico 35. Preferiblemente el conjunto de aro en U doble se
puede insertar en el anillo 31 en un modo ligeramente comprimido
radialmente, es decir, por encaje forzado en el anillo, de modo que
los brazos o elementos laterales de los elementos de sellado después
de la inserción se retengan radialmente por la pared interior del
elemento de metal 33 y la pared exterior del tubo cerámico 35.
El conjunto de sellado ilustrado en la figura 3
se puede usar en cualquier dispositivo en el que gas a presión más
baja en el agujero interior 37 se haya de segregar de gas a presión
más alta fuera del tubo cerámico 35 y el elemento de metal 33. El
aro en U doble está orientado de tal manera que la sección abierta
de cada aro en U esté hacia el lado de presión más alta de la junta
estanca, y la presión de gas diferencial entre el agujero interior
37 y la región exterior del conjunto de tubo activa la junta estanca
separando las paredes laterales de los elementos de sellado y
empujándolas contra las superficies interior y exterior del anillo
31. Presiones diferenciales más altas actúan separando más las
paredes laterales de los elementos de sellado, mejorando por ello
la acción de sellado requerida a las presiones diferenciales más
altas. Dado que cada uno de los elementos de aro en U es flexible en
virtud de su grosor pequeño, puede acomodar diferencias en el
coeficiente de expansión térmica entre el elemento metálico 33 y el
tubo cerámico 35 cuando cambian las temperaturas sin transmitir
esfuerzo excesivo al material. Dado que el material del que se forma
el elemento sellante de aro en U doble, se comporta al menos en
parte elásticamente, incluso a temperaturas operativas elevadas, la
junta estanca puede resistir cambios de temperatura y presión sin
pérdida de integridad de la junta estanca.
Configuraciones alternativas del conjunto de
sellado se ilustran en las figuras 4A y 4B. En la figura 4A, el
elemento sellante incluye varios aros en forma de V apilados
separados por juntas tóricas sólidas como espaciadores, donde los
volúmenes circunferenciales están orientados hacia el anillo
representado. La figura 4B ilustra varios aros en forma de Y
apilados para formar un elemento sellante donde los volúmenes
circunferenciales están orientados hacia el anillo representado. Se
puede contemplar otras configuraciones de aros sellantes que tienen
características similares de elementos flexibles que encierran uno o
más volúmenes circunferenciales orientados hacia el anillo.
Los elementos sellantes flexibles descritos
anteriormente compensan las diferencias de las características de
expansión térmica entre los elementos cerámicos y metálicos a
sellar. Un atributo importante de los aros toroidales de la presente
invención es la naturaleza flexible de los aros al realizar el
servicio de sellado de gas activado por presión en geometrías
anulares.
Un anillo formado entre un cilindro cerámico y
un cilindro metálico experimentará diferentes cambios dimensionales
con la temperatura dependiendo de los coeficientes de expansión
térmica relativos de los dos materiales. Si el coeficiente de
expansión térmica de la cerámica es mayor que el del metal en la
geometría anular antes descrita, la distancia anular disminuirá
cuando la temperatura aumente. Las juntas estancas flexibles antes
descritas, si son de tamaño apropiado y han sido instaladas
apropiadamente, pueden compensar este cambio operando en un mayor
grado de compresión cuando aumenta la temperatura y un grado menor
de compresión cuando la temperatura disminuye manteniendo al mismo
tiempo una junta estanca aceptable entre un gas a presión más alta y
un gas a presión más baja. Alternativamente, si el coeficiente de
expansión térmica de la cerámica es menor que el del metal, la
distancia anular aumentará cuando la temperatura aumente. Una junta
estanca flexible de diseño apropiado, cuando se comprima
apropiadamente durante la instalación en el anillo a temperaturas
ambiente, se puede expandir cuando la distancia anular aumente
manteniendo al mismo tiempo una junta estanca aceptable entre un gas
a presión más alta y un gas a presión más baja. Esta característica
es una ventaja importante de los conjuntos de sellado de la presente
invención.
Los elementos sellantes flexibles descritos
anteriormente se pueden utilizar en termointercambiadores cerámicos
a alta temperatura, pilas de combustible, sensores de gas, y
reactores electroquímicos que producen oxígeno o gas de síntesis. En
muchas de estas aplicaciones, se utilizan múltiples tubos cerámicos
en una configuración de envuelta y tubo dentro de una envuelta
presurizada. Se utilizan láminas de tubo metálicas que tienen
múltiples agujeros o aberturas en los que se introducen los tubos
cerámicos, formando por ello múltiples espacios anulares que
requieren sellado. Los aros sellantes de la presente invención se
pueden utilizar para realizar sellado anular cuando la presión en el
lado de envuelta es mayor que la presión en el lado de tubo de la
configuración de envuelta y tubo. Las juntas estancas compensan los
cambios dimensionales radiales que aparecen en geometrías anulares,
y también permiten cambios dimensionales axiales en los tubos
cerámicos permitiendo que cada tubo deslice con relación a la junta
estanca.
En estas aplicaciones, los gases a presión más
alta y más baja que son segregados por los elementos sellantes
descritos anteriormente, dependen del proceso específico realizado
en el aparato que utiliza los elementos de sellado. En el proceso
para recuperar oxígeno de aire en un sistema de membrana conductora
mezclada cerámica, por ejemplo, el gas a presión más alta en el
exterior de los tubos cerámicos es aire presurizado u otro gas
conteniendo oxígeno, mientras que el gas a presión más baja en el
interior de los tubos cerámicos es oxígeno de alta pureza producido.
En un reactor de membrana catalítico en el que el oxígeno penetra
una membrana conductora mezclada y el oxígeno que ha penetrado
reacciona catalíticamente con hidrocarbonos ligeros para producir
gas de síntesis o productos de hidrocarbonos, el gas a presión más
alta en el exterior de los tubos cerámicos es gas de alimentación de
hidrocarbono presurizado y productos de reacción, mientras que el
gas a presión más baja en el interior de los tubos cerámicos es aire
u otro gas conteniendo oxígeno.
Los conjuntos de sellado de la presente
invención también se pueden usar para juntas estancas de entrada o
salida de gas para dispositivos que usan componentes cerámicos
montados en una configuración de pila plana donde la pila se
contiene dentro de una cuba presurizada.
Los elementos sellantes flexibles o aros
toroidales se pueden utilizar para sellar cualquier material
metálico a cualquier material cerámico a temperaturas típicamente de
hasta aproximadamente 1000°C. Las presiones diferenciales a través
de la junta estanca pueden ser del orden de hasta 3,45 MPa (500
psia).
El material metálico puede ser un metal único o
una aleación que tenga las propiedades requeridas. Se prefiere una
aleación, y la aleación puede incluir elementos seleccionados del
grupo que consta de hierro, níquel, cromo, tungsteno, molibdeno y
cobalto. Las aleaciones preferidas incluyen las que contiene níquel
disponibles en el mercado Inconel 600, Inconol 625, Incoloy 800 y
Haynes 230.
Los elementos de sellado se pueden utilizar con
componentes cerámicos en termointercambiadores cerámicos a alta
temperatura, pilas de combustible, sensores de gas, filtros de gas
caliente, y reactores de membrana cerámica que producen oxígeno o
gas de síntesis. La cerámica específica en los componentes usados en
unión con los elementos de sellado no es crítica para el rendimiento
del elemento sellante, y la invención no se limita a ningún tipo
específico de material cerámico. Cuando las juntas estancas se
utilizan en reactores de membrana cerámica, una composición
preferida para el material cerámico es un óxido metálico
multicomponente conductor mezclado representado por la fórmula
Ln_{x}A'_{x'}A''_{x''}B_{y}B'yO_{3-z},
donde Ln es un elemento seleccionado de los lantánidos de bloque f,
A' se selecciona del grupo 2, A'' se selecciona de los grupos 1, 2 y
3 y los lantánidos de bloque f, y B, B' se seleccionan
independientemente de los metales de transición de bloque d,
excluyendo titanio y cromo, donde 0\leqx<1, 0<x'\leq1,
0\leqx''<1,0<y<1,1, 0\leqy'<1,1, x+x'+x''=1,0,
1,1>y+y'>1,0 y z es un número que hace neutra la carga de
compuesto.
Un material cerámico alternativo para
componentes que se puede usar con las juntas estancas de la presente
invención es un óxido metálico multicomponente conductor mezclado
representado por la fórmula
Ln_{x}A'_{x'}A''_{x''}B_{y}B'_{y'}B''_{y''}
O_{3-z}, donde Ln es un elemento seleccionado de
los lantánidos de bloque f, A' se selecciona del grupo 2, A'' se
selecciona de los grupos 1, 2 y 3 y los lantánidos de bloque f, y B,
B', B'' se seleccionan independientemente de los metales de
transición de bloque d, excluyendo titanio y cromo, donde
0\leqx<1, 0<x'\leq1, 0\leqx''<1, 0<y<1,1,
0\leqy'<1,1, 0\leqy''<1,1, x+x'+x''=1,0,
1,1>y+y'+y''>1,0 y z es un número que hace neutra la carga de
compuesto. Los elementos indicados anteriormente se describen según
la Tabla Periódica de los elementos adoptados por IUPAC.
Un material cerámico alternativo para
componentes que se puede usar con las juntas estancas de la presente
invención se describe en LA Publicación Internacional PCT número WO
99/21649 y tiene la fórmula
A_{2 -
X}A'_{x}B_{2 - y}B'_{y}O_{5 +
z}
donde a es un ion metal
alcalinotérreo o mezcla de iones metales alcalinotérreos; A' es un
ion metal o mezcla de iones metal donde el metal se selecciona del
grupo que consta de metales de la serie de lantánido e itrio; b es
un ion metal o mezcla de iones metal donde el metal se selecciona
del grupo que consta de metales de transición 3d y metales del grupo
13; B' es un ion metal o mezcla de iones metal donde el metal se
selecciona del grupo que consta de los metales de transición 3d,
metales del grupo 13, los lantánidos, e itrio; x e y son,
independientemente de uno a otro, números superiores o iguales a
cero y menores o iguales a 2; y z es un número que hace neutra la
carga de material cerámico. Los metales de transición 3d se conocen
en la técnica como elementos en la serie de escandio a zinc. Este
material cerámico puede incluir una capa
catalizadora.
Otros materiales cerámicos alternativos para
componentes que se puede usar con las juntas estancas de la presente
invención se describen en las Patentes de Estados Unidos 5.817.597,
5.591,315, 5.723.074 y 5.639.437.
Las aplicaciones anteriores describen aros
toroidales usados con una geometría anular específica en la que un
tubo cerámico reside dentro de un elemento exterior metálico y en la
que la presión fuera del tubo cerámico es mayor que la presión
dentro del tubo. Aunque ésta es una aplicación preferida, los aros
toroidales de la presente invención se pueden usar en otras
configuraciones. Se puede diseñar conjuntos de sellado análogos a
los expuestos en las figuras 3, 4 de manera que operen con el gas a
presión más alta dentro del tubo cerámico y el gas a presión más
baja en el exterior de del tubo cerámico. En este caso, la dirección
del lado abierto del aro toroidal se orientaría en la dirección
opuesta de modo que el gas a presión más alta contactaría el lado
abierto del aro, y el elemento exterior metálico requeriría un tope
o saliente para soportar el lado cerrado del aro toroidal.
Alternativamente, el elemento exterior puede ser cerámico y el tubo
interior puede ser metálico, y el aro toroidal se colocaría en el
anillo en una orientación radial de tal manera que el lado abierto
del aro esté en contacto con el gas a presión más alta.
Aros en U metálicos descritos en la figura 1 se
formaron a partir de láminas metálicas finas (98 \mum (0,004) a
147 \mum (0,006 pulgada) de grosor) usando técnicas estándar de
formación de metal tales como estampado y embutición. Las láminas
metálicas se hicieron de las aleaciones conteniendo níquel
disponible en el mercado Inconel 600, Incoloy 800, y Haynes 230.
Después de la formación y el corte, los aros se recubrieron por
chapado a un grosor de 0,5 \mum (0,0002) a 0,7 \mum (0,0003
pulgada). Los aros de Inconol 600 se recubrieron con plata, y los de
Incoloy 800 y Haynes 230 se recubrieron con oro. Las dimensiones
nominales del aro eran las siguientes: altura, 2,45 mm (0,1
pulgada); anchura, 2,45 mm (0,1 pulgada); y diámetro interior, 13,48
mm (0,55 pulgada).
Tubos cerámicos que tienen un diámetro nominal
de 13,7-14,7 mm (0,56-0,60 pulgada)
y grosor de pared de 1,2-1,8 mm (0,050 a 0,075
pulgada) se fabricaron usando técnicas de formación de cerámica
estándar tales como presión isostática o fundición a la barbotina
seguido de sinterización a una densidad deseada a temperaturas
elevadas. El extremo de cada tubo cerámico a sellar se maquinó a un
diámetro dentro de aproximadamente \pm0,25 \mum (\pm 0,0001
pulgada) del diámetro interior del aro en U con el fin de permitir
un ajuste deslizante apretado del aro en U sobre el tubo cerámico
durante el montaje. Los tubos se hicieron de una cerámica teniendo
la composición general La_{0,5}Sr_{0,5}Co_{1,02}O_{3,
\delta}, donde \delta es un parámetro que hace neutra la carga de
composición. El coeficiente de expansión térmica para esta cerámica
varió de 15,1 x 10^{-6}(°C)^{-1} a 27,0 x
10^{-6}(°C)^{-1} sobre un rango de temperatura de
temperatura ambiente a
900°C.
900°C.
Los componentes descritos anteriormente se
montaron colocando uno o dos aros en U sobre el extremo maquinado
del tubo cerámico. Si se usaron dos aros en U, se montó un
espaciador entre los aros para evitar el contacto directo entre los
aros. El espaciador se hizo de plata. Cada tubo cerámico con aros en
U en posición se asentó en el soporte metálico de junta estanca y
los aros en U se presionaron a posición usando una prensa de
mandrinar o dispositivo similar, comprimiendo por ello el diámetro
exterior de los aros en U y suministrando la junta estanca inicial
al tubo cerámico. Los aros en U se orientaron hacia el lado de
presión alta del conjunto de sellado para proporcionar activación
por presión de los aros.
\newpage
Se comprobaron conjuntos de sellado preparados
en el ejemplo 1 fabricando una célula de prueba donde el tubo
cerámico se insertó en un conjunto de sellado de cerámica a metal y
se sometió a calentamiento y presurización externa manteniendo
simultáneamente el interior del tubo cerámico a presión atmosférica.
El extremo libre del tubo cerámico se cerró por unos medios
alternativos tales como soldadura fuerte de una placa cerámica al
extremo de tubo. Típicamente el soporte metálico de junta estanca se
unió a un tubo metálico de soporte, a través de soldadura fuerte o
soldadura, de tal manera que el interior del tubo metálico de
soporte se conectase a través del soporte de junta estanca al
interior del tubo cerámico. El aparato de prueba constaba de una
cuba metálica de presión calentada externamente, equipada con
entradas y salidas de gas y dispositivos apropiados de control de la
presión y temperatura. Además, la cuba de presión estaba equipada
con pestañas apropiadas para permitir la instalación del conjunto de
tubo cerámico-junta estanca-tubo de
soporte al interior de la cuba de presión conectando simultáneamente
el interior del tubo de soporte a un orificio en el exterior de la
cuba de presión. El escape a través de la junta estanca se
caracterizó midiendo el flujo de gas del orificio usando
dispositivos de medición de flujo de gas como rotámetros o medidores
de flujo másico.
Se realizaron pruebas de sellado típicas
calentando primero la junta estanca a la temperatura operativa
deseada, como se indica por un termopar insertado en el interior de
la junta estanca, seguido de presurización de la junta estanca
exterior a la presión de prueba deseada. El calentamiento y la
presurización se realizaron gradualmente, implicando una serie de
rampas y retenciones, o continuamente. La temperatura típica y las
tasas de rampa de presión eran 1°C/min y 1 psi/min. Durante una
prueba, se supervisó el flujo de gas del orificio de presión baja,
que indica la tasa de escape de la junta estanca. Una vez logradas
las condiciones operativas deseadas, las condiciones se mantuvieron
durante períodos de hasta aproximadamente 1000 horas. Después de
terminar la prueba, las muestras de prueba se despresurizaron a
presión atmosférica y después enfriaron a temperatura ambiente. La
despresurización y el enfriamiento se realizaron gradualmente,
implicando una serie de rampas y retenciones, o continuamente. La
temperatura típica y las tasas de rampa de presión eran 1°C/min y 1
psi/min, respectivamente.
Los resultados obtenidos de pruebas de sellado
realizadas en este aparato se resumen en la Tabla 1.
| Nº de prueba de junta | Temperatura de la | Presión (psig)* | Tasa de escape |
| estanca | junta estanca (°C) | (sccm (21°C)) | |
| 1 | 825 | 25 | 0 |
| 825 | 50 | 3,1 | |
| 825 | 75 | 3,1 | |
| 825 | 100 | 4,4 | |
| 825 | 125 | 5,7 | |
| 2 | 850 | 25 | 4,4 |
| 850 | 50 | 0 | |
| 850 | 75 | 2,4 | |
| 850 | 100 | 5,0 | |
| 850 | 125 | 8,7 | |
| 850 | 150 | 13,4 | |
| 3 | 850 | 25 | 2,0 |
| 850 | 50 | 4,1 | |
| 850 | 75 | 6,5 | |
| 850 | 100 | 7,7 | |
| 850 | 125 | 10,6 | |
| * x 6,89 = kPa |
Se comprobaron conjuntos de sellado preparados
en el ejemplo 1 fabricando una célula de prueba donde un tubo
cerámico insertado en un conjunto de sellado de cerámica a metal se
puede someter a calentamiento y presurización externa manteniendo
simultáneamente el interior del tubo cerámico a presión
subatmosférica. El extremo libre del tubo cerámico se cerró por unos
medios alternativos tales como por soldadura fuerte de una placa
cerámica al extremo de tubo. Típicamente el soporte metálico de
junta estanca se unió a un tubo metálico de soporte, mediante
soldadura fuerte o soldadura, de tal manera que el interior del tubo
metálico de soporte se conectase a través del soporte de junta
estanca al interior del tubo cerámico. El aparato de prueba constaba
de una cuba metálica de presión calentada externamente, equipada
con entradas de gas y salidas y usando dispositivos apropiados de
control de presión y temperatura. Además, la cuba de presión estaba
equipada con pestañas apropiadas para permitir la instalación del
conjunto de tubo cerámico-junta
estanca-tubo de soporte al interior de la cuba de
presión conectando simultáneamente el interior del tubo de soporte a
un orificio de presión subatmosférica en el exterior de la cuba de
presión. La presión subatmosférica se mantuvo en el interior del
conjunto de tubo cerámico-junta
estanca-tubo de soporte bombeando activamente el
interior usando una bomba de vacío y válvulas de control de presión
apropiadas y dispositivos de alivio de sobrepresurización. El escape
a través de la junta estanca se caracterizó midiendo el flujo de
gas de la salida de presión atmosférica de la bomba de vacío usando
dispositivos de medición de flujo de gas como rotámetros o medidores
de flujo másico.
Se realizaron pruebas de sellado típicas
evacuando primero el interior del conjunto de tubo
cerámico-junta estanca-tubo de
soporte a la presión operativa deseada seguido de calentar la junta
estanca a la temperatura operativa deseada, como se indica por un
termopar insertado en el interior de la junta estanca. El exterior
del conjunto de tubo cerámico-junta
estanca-tubo de soporte se presurizó posteriormente
a la presión de prueba deseada. La evacuación, el calentamiento y la
presurización se realizaron gradualmente, implicando una serie de
rampas y retenciones, o continuamente. Las tasas de rampa típicas
eran 100 torr h^{-1}, 1°C min^{-1} y 1 psi min^{-1}. Durante
una prueba, se supervisó el flujo de gas del orificio de presión
baja, que indica la tasa de escape de la junta estanca. Una vez
logradas las condiciones operativas deseadas, las condiciones se
mantuvieron durante períodos de hasta aproximadamente 3000 horas.
Después de terminar la prueba, las muestras de prueba se
despresurizaron a presión atmosférica seguido de enfriamiento a
temperatura ambiente. Una vez logradas las condiciones ambiente, la
presión en el interior del conjunto de tubo
cerámico-junto estanca-tubo de
soporte se elevó a presión atmosférica. La despresurización y el
enfriamiento se realizaron gradualmente, implicando una serie de
rampas y retenciones, o continuamente. Las tasas de rampa típicas
eran 1°C min^{-1} y 1 psi min^{-1}. La presión en el interior
del conjunto de tubo cerámico-junta
estanca-tubo de soporte se elevó a una tasa de 100
torr h^{-1}. Los resultados obtenidos de pruebas de sellado
realizadas en este aparato se resumen en la Tabla 2.
| Nº de prueba de | Temperatura de | Presión (psig)* | Presión interior (torr) | Tasa de escape |
| junta estanca | junta estanca (°C) | (sccm (21°C)) | ||
| 1 | 850 | 150 | 90 | 18,8 |
| 2 | 825 | 50 | 90 | 10,3 |
| 850 | 50 | 90 | 8,9 | |
| 875 | 50 | 383 | 5,9 | |
| 875 | 75 | 7,6 | 13,9 | |
| 3 | 875 | 25 | 90 | 2,2 |
| 875 | 50 | 6,7 | 0,8 | |
| 875 | 50 | 90 | 0,7 | |
| 875 | 75 | 184 | 1,5 | |
| 4 | 875 | 200 | 500 | 2,4 |
| * x 6,89 = kPa |
Los resultados de las pruebas de los ejemplos 2
y 3 indican que las juntas estancas de la presente invención pueden
sellar tubos cerámicos de 13,48 mm (0,55 pulgada) de diámetro
nominal a elementos metálicos de aleación de níquel a presiones de
hasta 1,38 MPa (200 psig) y temperaturas de hasta 875°C con tasas de
escape de sellado absolutas del orden de menos de los límites
detectables a aproximadamente 14 sccm (centímetros cúbicos estándar
por minuto). La tasa de escape máxima permisible de la junta estanca
se determina por el requisito de pureza del producto en el sistema
de proceso particular que usa la junta estanca. Por ejemplo,
considérese una unidad de recuperación de oxígeno de membrana
cerámica conductora mezclada produciendo 1 tpd (tonelada por día) de
oxígeno en la que la unidad usa una junta estanca de colector del
tipo comprobado en las condiciones del ejemplo 3. Si la pureza
mínima del producto para la unidad es 99,5 vol% O_{2}, una tasa de
escape total permisible del sistema sería aproximadamente 2800 sccm.
Si se supone que 10% del escape total del sistema lo aparta la junta
estanca del colector, la tasa de escape máxima permisible de la
junta estanca de colector sería 280 sccm. Las juntas estancas
comprobadas del ejemplo 3 cumplirían este requisito. De forma
similar, si la purea mínima del producto es 99,995 vol% O_{2} (50
ppmv impureza), la tasa de escape máxima permisible de la junta
estanca de colector sería aproximadamente 2,8 sccm, y solamente
algunas juntas estancas del ejemplo 3 cumplirían este requisito. Sin
embargo, si se supone que la mayor parte o toda la tasa de escape
total del sistema se produce en la junta estanca, todas las juntas
estancas comprobadas del ejemplo 3 serían satisfactorias en este
servicio.
Así, la presente invención proporciona un
conjunto de sellado y métodos para uso en sistemas de proceso que
requieren juntas estancas de cerámica a metal de alta temperatura.
La invención utiliza aros sellantes metálicos más flexibles o
elementos sellantes en los que la presión diferencial aplicada a
través de la junta estanca sirve para activar la junta estanca y
promover el sellado aceptable a temperaturas y presiones de proceso
elevadas. La naturaleza flexible del elemento sellante permite
diferencias en la expansión térmica entre los materiales a sellar.
El rendimiento del elemento sellante se puede mejorar recubriendo el
elemento sellante metálico con un recubrimiento metálico blando o
fluido tal como plata u oro y/o reforzando el elemento sellante con
un lecho de polvo fino. El material metálico del elemento sellante
se elige de tal manera que el elemento responda al esfuerzo al menos
en parte elásticamente, incluso a temperaturas elevadas, permitiendo
que la junta estanca realice un sellado y segregación de gas
apropiados a través de múltiples ciclos térmicos.
Los elementos sellantes se pueden utilizar en
termointercambiadores cerámicos a alta temperatura, pilas de
combustible, y sensores de gas, y tienen especial utilidad en
sistemas de reactor de membrana que utilizan membranas conductoras
mezcladas cerámicas para producir oxígeno, gas de síntesis, o
productos de hidrocarbono convertidos. Los elementos sellantes se
pueden utilizar a altas temperaturas operativas sin precisar
enfriamiento de las juntas estancas.
Claims (10)
1. Un conjunto de sellado incluyendo:
(a) un elemento metálico (33) en el que se ha
formado un agujero cilíndrico (37);
(b) un tubo cerámico (35) situado coaxialmente
dentro del agujero cilíndrico y que forma un anillo (31) entre el
elemento metálico y el tubo cerámico; y
(c) una pila de varios elementos de sellado (25,
27) incluyendo cada uno un aro toroidal metálico que tiene una
sección transversal axial que define una figura plana, donde la
figura plana encierra parcialmente una zona que tiene un lado
abierto y un lado cerrado, y donde el aro toroidal tiene una anchura
de aro y un grosor de metal tales que la relación de la anchura de
aro al grosor de metal sea superior a 15 y hasta 40, donde el aro
toroidal incluye elementos interior (5) y exterior (7) que encierran
parcialmente un volumen circunferencial (3) que tiene un lado
abierto y un lado cerrado, donde el lado abierto está orientado en
una dirección generalmente axial con relación al aro toroidal, pila
que está situada en el anillo y en contacto con el elemento metálico
y el tubo cerámico; donde los elementos de sellado se espacian
usando un espaciador (29).
2. Un método para sellar un elemento metálico
(33) y un elemento cerámico cilíndrico (35) que incluye:
(a) disponer un anillo (31) entre el elemento
metálico y el elemento cerámico, teniendo el elemento metálico un
agujero cilíndrico (37) e incluyendo el elemento cerámico cilíndrico
un tubo cerámico, y donde el anillo se define por la colocación del
tubo cerámico coaxialmente dentro del agujero cilíndrico en el
elemento metálico;
(b) colocar una pila de varios elementos de
sellado (25, 27) incluyendo cada uno un aro toroidal metálico que
tiene una sección transversal axial que define una figura plana,
donde la figura plana encierra parcialmente una zona que tiene un
lado abierto y un lado cerrado, y donde el aro toroidal tiene una
anchura de aro y un grosor de metal tales que la relación de la
anchura de aro al grosor de metal sea superior a 15 y hasta 40,
donde el aro toroidal incluye elementos interior (5) y exterior (7)
que encierran parcialmente un volumen circunferencial (3) que tiene
un lado abierto y un lado cerrado, donde el lado abierto está
orientado en una dirección generalmente axial con relación al aro
toroidal, pila que está situada en el anillo y en contacto con el
elemento metálico y el tubo cerámico; donde los elementos de sellado
se espacian usando un espaciador (29);
(c) mantener un primer gas a una primera presión
en un volumen anular definido por una primera porción del anillo y
el lado abierto del aro toroidal;
(d) mantener un segundo gas a una segunda
presión en un volumen anular definido por una segunda porción del
anillo y el lado cerrado del aro toroidal, donde la segunda presión
es menor que la primera presión, y donde la presión diferencial
entre el primer gas y el segundo gas empuja los elementos interior y
exterior del aro toroidal contra el elemento cerámico cilíndrico y
el elemento metálico respectivamente para efectuar una junta estanca
activada por presión;
(e) donde dicha área está orientada de tal
manera que el lado abierto esté hacia el lado de presión más alta de
la junta estanca fuera del tubo cerámico y el elemento de metal.
3. El método de la reivindicación 2, donde los
aros toroidales (25, 27) se recubren al menos en parte con un
recubrimiento metálico.
4. El método de la reivindicación 2, donde la
figura plana formada por la sección transversal axial de los aros
toroidales se describe por una forma general seleccionada del grupo
que consta de U, V y Y.
5. El método de la reivindicación 4, donde la
figura plana formada por la sección transversal axial de los aros
toroidales tiene forma de U, formando por ello aros toroidales en
forma de U que tienen un lado abierto y un lado cerrado, y donde
cada aro toroidal tiene una anchura de aro y un grosor de metal
tales que la relación de la anchura de aro al grosor de metal sea
superior a 15 y hasta 40.
6. El método de la reivindicación 5, donde el
lado inferior cerrado del volumen circunferencial del aro toroidal
(27) se soporta por un material contiguo contenido en el anillo,
donde el material contiguo es un polvo, una fibra, o una mezcla de
un polvo y una fibra.
7. El método de la reivindicación 3, donde dos
aros toroidales en forma de U (25, 27) se apilan en el anillo, donde
el lado abierto de cada aro toroidal en forma de U está orientado en
la misma dirección axial.
8. El método de la reivindicación 7, donde se
coloca un espaciador entre el lado cerrado del aro toroidal en forma
de U (25) y el lado abierto del aro toroidal en forma de U adicional
(27).
\newpage
9. El método de la reivindicación 2, donde el
primer gas es un gas conteniendo oxígeno y el segundo gas es un gas
conteniendo oxígeno que tiene una concentración de oxígeno más alta
que el primer gas.
10. El método de la reivindicación 2, donde el
primer gas incluye uno o más componentes seleccionados del grupo que
consta de metano, hidrógeno, monóxido de carbono, y dióxido de
carbono, y el segundo gas es un gas conteniendo oxígeno.
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