<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches durch Diffusion,
Bekanntlieh kann man mittels Diffusion durch Kapillaren eine Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches herbeiführen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine solche Trennung mittels Diffusion nach einer besonderen Methode zu erzielen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass man ein Gasgemisch in ein mit bestimmter Geschwindigkeit strömendes Gas oder einen strömenden Dampf (im weiteren mit "Hilfsgas" bezeichnet) eintreten und darin diffundieren lässt ; das Hilfsgas muss sich von dem zu trennenden Gas oder den zu trennenden Gasen abscheiden lassen. Infolge des Unterschiedes der Diffusions-Koeffizienten der Kom-
EMI1.1
einen ganz verschiedenen Verlauf zeigen. An bestimmten Stellen in dem zur Trennung des Gasgemisches verwendeten Apparate wird die Konzentration einer bestimmten Komponente, z. B. der am schnellsten diffundierenden, relativ viel grösser als diejenige der anderen, langsamer diffundierenden Komponente oder Komponenten, während an anderen Stellen des Hilfsgasstromes sich die langsamer diffundierenden Komponenten anreichern.
Leitet man von solch einer Stelle hoher Konzentration einer Gaskomponente die dort anwesende Gasfraktion fort, dann erhält man ein Gemisch von strömendem Hilfsgas mit der in Frage kommenden nahezu reinen Komponente. Trennt man das Hilfsgas und diese Fraktion mittels Kondensation oder auf anderem, z. B. chemischem Wege, dann erhält man schliesslich die aus dem ursprünglichen Gasgemisch
EMI1.2
Der Verlauf des Verfahrens hängt im einzelnen erstens von der Strömungsgeschwindigkeit auf dem Wegteil ab, wo hauptsächlich der Diffusionsvorgang erfolgt (dieser Wegteil soll nachstehend als "Diffusionsbahn"bezeichnet werden), zweitens von der Länge dieses Wegteils und drittens von dem Winkel, den die Diffusionsbahn mit der Strömungsrichtung des Hilfsgases bildet.
Bei bestimmten geometrischen Grössenverhältnissen hängt die erforderliche Strömungsgeschwindig- keit des Hilfsgases von der Zusammensetzung des Gasgemisches und vom gewünschten Resultat ab. Um eine möglichst weitgehende Trennung zu erreichen, empfiehlt es sich, die geometrischen Verhältnisse so-zu wählen, dass mit möglichst grosser Strömungsgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Falls die Diffusion in der Richtung gegen den Gasstrom erfolgt, bedeutet dies gleichzeitig eine möglichst kleine Länge der Diffusionsbahn.
Das Verfahren lässt sich gemäss der Erfindung mit Hilfe einer Vorrichtung ausführen, die mit einem Gefäss versehen ist, an das Zu-und Abführungsleitungen für den Hilfsgasstrom, für das zu trennende Gas- gemisch und für die durch Diffussion getrennten Gase angeschlossen sind, während ausserdem noch eine Vorrichtung zur Kondensation oder chemischen Bindung des strömenden Hilfsgases oder der Komponenten des Gasgemisches angebracht ist.
Die Vorrichtung ist noch mit Einrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Länge der Diffusionsbahn oder von beiden zu versehen, welche wie die Vorrichtung zur Trennung'des strömenden Hilfsgases von den Gaskomponenten und weitere Hilfsvorrichtungen auf verschiedene Arten ausgeführt werden können, die nicht näher beschrieben sind.
Man kann die Zu-und Abführungsleitungen z.. B. derart anordnen, dass die Diffusion in einem de Strömung des Hilfsgases entgegengesetzten Sinne erfolgt, nur die Komponente mit der grössten Diffusions
<Desc/Clms Page number 2>
konstante ist imstande, in der Richtung gegen den Hilfsgasstrom zu diffundieren, die anderen Komponenten dagegen werden in der Richtung des Hilfsgasstromes mitgenommen. Die herausdiffundierte Komponente kann somit von einer Stelle grösserer Konzentration fortgeführt und alsdann vom strömenden Hilfsgas befreit werden.
Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist schematisch in der Zeichnung wiedergegeben, wobei vorausgesetzt ist, dass man die zu trennenden Gase in Wasserdampf diffundieren lässt.
Die Vorrichtung besteht hauptsächlich aus drei Teilen, einem Wassergefäss TV, einem Diffusionsgefäss D und einem Kondensationsgefäss C, welche in der in der Zeichnung angegebenen Ausführung miteinander verbunden sind.
Die drei Gefässe W, D und C sind von Wassermänteln umgeben, die gestatten, sie auf bestimmte regelbare Temperaturen zu bringen. Die Temperatur in W soll höher sein als diejenige in D und C. Die Temperatur in W kann z. B. so hoch sein, dass der Dampfdruck des Wassers etwa 30 ein Quecksilbersäule beträgt, während die Temperatur in D einem Dampfdruck von 29 cm entspricht. Der in TV entwickelt Wasserdampf strömt durch eine Kapillare a mit einer von der Temperatur abhängigen Strömung- geschwindigkeit in den oberen kugelförmigen Teil von D.
Die Temperaturen von D und C sind so geregelt, dass ein Teil des Wasserdampfes in D und ein Teil in C kondensiert wird. In D mündet ein trichterförmiges Rohr h, das so gebaut und bemessen ist, dass
EMI2.1
Breite übrigbleibt, durch welchen der Wasserdampf strömen muss. Dieser Weg 1, z. B. von 1 mm Länge, bildet in diesem Falle die"Diffusionsbahn". Indem man das Rohr h in vertikaler Richtung verschiebbar anordnet, kann man die Länge der Diffusionsbahn innerhalb gewisser Grenzen ändern, denn wenn man das Rohr h z. B. hinaufschiebt, verringert man die Strecke 1, indem jetzt das sich erweiternde untere Ende des Rohres-A teilweise in den oberen kugelförmigen Teil von D hineinragt.
Lässt man nun durch dieses Rohr h in das Gefäss D ein Gasgemisch treten, dessen Gesamtdruek nicht grösser ist als der Dampfdruck des Wassers in W, dann diffundiert von diesem Gemisch ein Teil gegen den Wasserdampfstrom und gelangt so in den oberen kugelförmigen Teil von D und mit dem durch ein Rohr b strömenden Wasserdampf nach (7. Die Zusammensetzung dieses Teiles ist abhängig von den Diffusionskonstanten der Komponenten des Gemisches. Leitet man also durch h ein Gemisch von zwei Gasen mit verschiedenen Diffasionskonstanten, z. B. ein Gemisch von Helium und Neon, dann wird bei geeigneter Wahl der Geschwindigkeit des Wasserdampfes praktisch nur das Gas mit grösserer Diffusionskonstante (Helium) imstande sein, gegen den Wasserdampf zu diffundieren, während das andere Gas (Neon) fast vollkommen zurückbleibt.
Auf diese Weise kann man eine beinahe vollständige Trennung der Gase herbeiführen. Das nach G gelangte Helium strömt mit einem Teil des Wasserdampfes durch eine sehr enge Kapillare t in einen evakuierten Raum V, wo der Wasserdampf, etwa mittels flüssiger Luft, ausgefroren wird, und alsdann in ein Gefäss, wo sich das abgesonderte Gas nahezu rein auffangen lässt. Die Kapillare t hat den Zweck, der Strömung den nötigen Widerstand zu bieten und zu verhindern, dass wegen des grossen Druckuntersehiedes in C und V die Strömungsgeschwindigkeit zu stark anwächst.
Die andere Komponente (Neon) kann durch eine besondere Ableitung/e fortgeleitet werden und genau so wie die erste Komponente vom Wasserdampf getrennt werden. Die Zuleitung h und die Ableitung 7c sind gleichfalls mit Kapillaren versehen. In dieser Weise gelingt es, aus einem Neon-Helium-Gemisch mit 30% Heliumgehalt durch einen einzigen Diff : lsionsprozess Helium mit so wenig Neon abzutrennen, dass in einer Spektralröhre mit einem Taschenspektroskop nur die Heliumlinien zu erkennen sind.
EMI2.2
Die ganze Vorrichtung, mit Ausnahme des Gefässes V, befindet sich in einem Raum, in dem die Temperatur etwas höher gehalten wird als im Wassergefäss.
Die Form und gegenseitige Stellung der verschiedenen Teile der Vorrichtung können auf mannigfaltige Weise abgeändert werden, ebenso auch die Verfahren zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Länge der Diffusionsbahn.
. Auch ist es nicht wesentlich, dass eine der Komponenten unter einem Winkel von 180 gegen den Hilfsgasstrom diffundiert ; man kann auch mit viel kleineren Winkeln sehr günstige Ergebnisse erhalten.
Ferner ist es nicht notwendig, dass der Hilfsgasstrom und das strömende Gasgemisch einander in der im Beispiel beschriebenen Weise treffen oder dass die Diffusionsbahn gerade die Form einer engen Spalte hat. Es wäre auch möglich, dass die Diffusion durch eine poröse Wand erfolgte.
Anstatt des Wasserdampfes kann auch ein anderes Hilfsgas verwendet werden, wenn es nur von den zu trennenden Gasen abgeschieden werden kann.
In manchen Fällen wird es wünschenswert oder notwendig sein, mehrere Apparate hintereinander zu schalten, damit das abzutrennende Gas am Ende der Reihe sich in nahezu reinem Zustande abscheiden lässt.
Die Änderungen, die notwendig sind, falls ein Hilfsgas anstatt eines Hilfsdampfes für die Trennung benutzt wird, sind für jeden Fachmann einleuchtend. In diesem Falle wird das Gefäss W durch einen Be-
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
<Desc / Clms Page number 1>
Process for separating the components of a gas mixture by diffusion,
It is known that the constituents of a gas mixture can be separated by means of diffusion through capillaries. The invention relates to a method of achieving such a separation by means of diffusion according to a special method.
The method according to the invention consists in that a gas mixture is allowed to enter a gas flowing at a certain speed or a flowing vapor (hereinafter referred to as "auxiliary gas") and diffuse therein; the auxiliary gas must be able to be separated from the gas or gases to be separated. Due to the difference in the diffusion coefficients of the com-
EMI1.1
show a very different course. At certain points in the apparatus used to separate the gas mixture, the concentration of a certain component, e.g. B. the fastest diffusing, relatively much larger than that of the other, more slowly diffusing component or components, while at other points of the auxiliary gas flow the more slowly diffusing components accumulate.
If the gas fraction present there is passed away from such a point of high concentration of a gas component, then a mixture of flowing auxiliary gas with the almost pure component in question is obtained. If you separate the auxiliary gas and this fraction by means of condensation or on other, z. B. chemically, then you finally get that from the original gas mixture
EMI1.2
The course of the process depends in detail, firstly, on the flow velocity on the path part where the diffusion process takes place mainly (this path part is hereinafter referred to as "diffusion path"), secondly on the length of this path part and thirdly on the angle that the diffusion path with the direction of flow of the auxiliary gas forms.
With certain geometric proportions, the required flow rate of the auxiliary gas depends on the composition of the gas mixture and on the desired result. In order to achieve the greatest possible separation, it is advisable to choose the geometric relationships so that the flow rate can be as high as possible. If the diffusion takes place in the direction against the gas flow, this means at the same time the smallest possible length of the diffusion path.
According to the invention, the method can be carried out with the aid of a device which is provided with a vessel to which supply and discharge lines for the auxiliary gas flow, for the gas mixture to be separated and for the gases separated by diffusion are connected, while also being connected a device for condensation or chemical bonding of the flowing auxiliary gas or the components of the gas mixture is attached.
The device must also be provided with devices for regulating the flow rate or the length of the diffusion path or both, which, like the device for separating the flowing auxiliary gas from the gas components and other auxiliary devices, can be designed in various ways that are not described in detail.
The supply and discharge lines can be arranged, for example, in such a way that the diffusion takes place in a direction opposite to the flow of the auxiliary gas, only the component with the greatest diffusion
<Desc / Clms Page number 2>
constant is able to diffuse in the direction against the flow of auxiliary gas, while the other components are carried along in the direction of the flow of auxiliary gas. The component that has diffused out can thus be continued from a point of greater concentration and then freed from the flowing auxiliary gas.
An example of a device for using this method is shown schematically in the drawing, it being assumed that the gases to be separated are allowed to diffuse into water vapor.
The device mainly consists of three parts, a water vessel TV, a diffusion vessel D and a condensation vessel C, which are connected to one another in the embodiment shown in the drawing.
The three vessels W, D and C are surrounded by water jackets that allow them to be brought to certain controllable temperatures. The temperature in W should be higher than that in D and C. The temperature in W can e.g. B. be so high that the vapor pressure of the water is about 30 a mercury column, while the temperature in D corresponds to a vapor pressure of 29 cm. The water vapor developed in TV flows through a capillary a with a flow velocity that depends on the temperature into the upper spherical part of D.
The temperatures of D and C are regulated in such a way that part of the water vapor is condensed in D and part in C. A funnel-shaped tube h opens into D, which is so constructed and dimensioned that
EMI2.1
Width remains through which the water vapor must flow. This route 1, e.g. B. 1 mm in length, in this case forms the "diffusion path". By arranging the tube h to be displaceable in the vertical direction, you can change the length of the diffusion path within certain limits, because if you move the tube h z. B. pushes up, the distance 1 is reduced by now the widening lower end of the tube-A partially protrudes into the upper spherical part of D.
If a gas mixture is now allowed to pass through this tube h into the vessel D, the total pressure of which is not greater than the vapor pressure of the water in W, then part of this mixture diffuses against the water vapor flow and thus reaches the upper spherical part of D and with after the water vapor flowing through a pipe b (7. The composition of this part depends on the diffusion constants of the components of the mixture. So if one passes through h a mixture of two gases with different diffusion constants, e.g. a mixture of helium and neon, then, with a suitable choice of the speed of the water vapor, practically only the gas with a larger diffusion constant (helium) will be able to diffuse against the water vapor, while the other gas (neon) remains almost completely behind.
In this way one can bring about an almost complete separation of the gases. The helium that has reached G flows with part of the water vapor through a very narrow capillary t into an evacuated space V, where the water vapor is frozen out, for example by means of liquid air, and then into a vessel where the separated gas can be captured almost in pure form . The purpose of the capillary t is to offer the flow the necessary resistance and to prevent the flow velocity from increasing too much due to the large pressure difference in C and V.
The other component (neon) can be carried away by a special discharge line (s) and just like the first component separated from the water vapor. The supply line h and the discharge line 7c are also provided with capillaries. In this way it is possible to separate helium with so little neon from a neon-helium mixture with 30% helium content by a single diff: ion process that only the helium lines can be seen in a spectral tube with a pocket spectroscope.
EMI2.2
The entire device, with the exception of the vessel V, is located in a room in which the temperature is kept slightly higher than in the water vessel.
The shape and mutual position of the various parts of the device can be modified in manifold ways, as can the methods for regulating the flow rate or the length of the diffusion path.
. It is also not essential that one of the components diffuses at an angle of 180 against the auxiliary gas flow; very favorable results can also be obtained with much smaller angles.
Furthermore, it is not necessary that the auxiliary gas stream and the flowing gas mixture meet one another in the manner described in the example or that the diffusion path just has the shape of a narrow gap. It would also be possible for the diffusion to take place through a porous wall.
Instead of the water vapor, another auxiliary gas can also be used if it can only be separated from the gases to be separated.
In some cases it will be desirable or necessary to connect several apparatuses one behind the other so that the gas to be separated can be separated out in an almost pure state at the end of the row.
The changes which are necessary if an auxiliary gas instead of auxiliary steam is used for the separation are obvious to any person skilled in the art. In this case the vessel W is
<Desc / Clms Page number 3>
EMI3.1