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Verfahren zur ununterbrochenen Trennung eines Gasgemisches.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ununterbrochenen Trennung eines Gasgemisches.
Gewöhnlich wird die Trennung eines Gasgemisches dadurch herbeigeführt, dass dieses auf eine niedrige Temperatur gebracht wird, wodurch eine der Komponenten fliissig wird, oder dass das Gasgemisch durch eine poröse Wand oder in ein strömende Gas geführt wird. Eine der in dieser Weise erhaltenen Fraktionen kann dann wiederum dem gleichen Trennungsverfahren unterworfen und dieses so oft wiederholt werden, bis man eine Fraktion der gewünschten Zusammensetzung erhält.
Abgesehen davon, dass man bei diesem Vorgehen sehr schwer zu einer ununterbrochen arbeitenden Trennungsl11ethode gelangen kann, hat eine Trennungsmethode, die immer auf eine einzige Fraktion (selbstverständlich die erste oder die letzte Fraktion) angewendet wird, den Nachteil, dass die ändern Fraktionen, die noch einen bedeutenden Teil des zu gewinnenden Gases enthalten können, unbenutzt bleiben.
Das vorliegende Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches kann nicht nur in ununterbrochenem Betrieb ausgeführt werden, sondern es wird hiebei auch jede gerade gebildete Fraktion selbsttätig einer neuen Entmischung unterworfen. Auf diese Weise kann die Trennung eines Gasgemisches weiter durchgeführt werden, als dies gemäss den bisher bekannten Methoden möglich war und auch die Ausbeute der abgeschiedenen Gase kann vergrössert werden.
Verfahren zur fortschreitenden Trennung eines Gasgemisches sind bekannt. Gemäss denselben wird eine Reihe von Entmischungselementen verwendet, von denen jedes für sich imstande ist, eine teilweise Entmischung in zwei oder mehr Fraktionen herbeizuführen. Auf diese Weise kann die Trennung
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Gase zu vergrössern.
Gemäss der Erfindung besteht das Verfahren darin, dass eine Reihe von Entmisehungselementen verwendet wird. deren jedes für sich eine teilweise Entmischung in zwei oder mehr Fraktionen herbeiführt, die je nach ihrer Zusammensetzung zwei oder mehr Entmischungselementen auf beiden Seiten oder auch dem betreffenden Entmischungselement selbst zugeführt werden. Dabei sind unter Entmischullgselementen auf beiden Seiten nicht nur die unmittelbar benachbarten Entmisehungselemente. sondern überhaupt alle andern um das berücksichtigte Entmischungselement liegenden Entmischungselemente zu
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einem zweiten Entmischungselement zugeführte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Entmischungselement dem ersten zugeführten Gasmenge ist.
Auch kann die Trennung derart ausgeführt werden, dass die den Entmischungselementen auf einer Seite eines bestimmten Entmischungselementes zugeführte Gasmenge nahezu gleich der den Entmischungselementen auf der andern Seite zugeführten Gasmenge ist. Dabei ist unter Menge das Volumen bei gleichem Druck und gleicher Temperatur, d. h : die Anzahl der Moleküle, zu verstehen.
Dieses Verfahren kann mit Hilfe einer Reihe von Vorrichtungen ausgeführt werden, deren jede für sich eine teilweise Trennung des Gasgemisches herbeiführen kann und die von bekannter-Form bzw.
Bauart sein können. Wird einem solchen Entmischungselement, z. B. c, ein Gasgemisch bestimmter Zusammensetzung zugeführt, so wird. nachdem in diesem Element eine teilweise Entmischung statt- gefunden hat, die Zusammensetzung der in dieser Weise gebildeten Fraktionen von der Zusammensetzung
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einen Teil der dabei andern Entmischungselementen oder auch demselben Entmischungselement zugeführt wird ; z. B. wenn im Entmischungselement c zwei Fraktionen gebildet worden sind, so kann die eine Fraktion dem vorigen Entmischungselement b, und die andere dem folgenden Element d zugeführt werden.
Die dem Element b zugeführte Fraktion wird hier wieder eine teilweise Entmischung erfahren und in zwei Unterfraktionen zerlegt werden, von denen die eine dem vorigen Entmischungselement a und die andere dem Element c zugeführt werden kann. Ähnliches wird mit der dem Entmischungselement d bzw. mit jeder einem vorigen oder einem folgenden Entmischungselement zugeführten, Fraktion geschehen. Im allgemeinen werden in einem bestimmten Entmischungselement zwei oder mehr von andern Entmischungelementen oder auch von demselben Element herkommende Fraktionen zusammenkommen ; das in dieser Weise entstandene Gasgemisch wird dann durch die Entmischung wieder in zwei oder mehrere Fraktionen geteilt werden, die wieder andern Entmischungselementen oder auch demselben Entmischungselement zugeführt werden.
Die im ersten und im letzten Entmischungselement befindlichen Gasgemische werden ihrer Zusammensetzung nach am meisten verschieden sein und am meisten von der Komponente befreit sein, die man mittels der Trennung zu entfernen wünscht. Will man die Trennung derart ausführen, dass die von einem Entmischungselement einem zweiten zugeführte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Element dem ersten zugeführten Gasmenge ist, so kann man zu diesem Zwecke den Widerstand des Weges vom ersten Entmischungselement zum zweiten nahezu gleich dem Widerstand des Weges vom zweiten Entmischungselement zum ersten machen.
Wird die Trennung in einem Entmischungselement dadurch herbeigeführt, dass man das Gas durch eine poröse Wand diffundieren lässt, so kann gemäss der Erfindung der Widerstand des einen Weges praktisch durch die poröse Wand bestimmt werden, während der Widerstand des andern Weges durch eine geeignete Wahl des Durchmessers oder der Länge der zu diesem Zwecke verwendeten Röhre dem vorher erwähnten Widerstand ungefähr gleich gemacht wird. Dabei muss man aber berücksichtigen, dass der Durchmesser dieser Röhre im allgemeinen nicht so klein sein darf, dass in derselben Entmischungserscheinungen auftreten und daher die regelmässige Durchströmung gestört wird. Um das Auftreten von Entmischungserscheinungen zu vermeiden, kann man den Durchmesser der Röhre grösser wählen, als die freie Weglänge der Moleküle des hindurchströmenden Gases beträgt.
Es kann jedoch eine Röhre, deren Durchmesser so klein ist, dass Entmischungserscheinungen auftreten, z. B. ein Haarröhrchen, verwendet werden, wenn ihm nur eine weite Röhre von solcher Länge vorgeschaltet wird, dass an dem vom Haarröhrchen am weitesten entfernten Ende dieser weiten Röhre Entmischungserscheinungen nicht auftreten.
Da jedem Entmischungselement eine gewisse Menge der in diesem Element erzeugten Fraktionen entzogen werden muss, müssen Mittel zum Regeln dieser Entziehung vorgesehen werden. Zweckmässig geschieht die Entziehung der Fraktionen an jedem der Entmischungselemente mit Hilfe von Pumpen.
Obwohl zum Absaugen jeder Fraktion eine einzelne Pumpe verwendet werden kann, empfiehlt es sich häufig, mehrere von verschiedenen Entmischungselementen herkommenden Fraktionen mit einer einzigen Pumpe abzusaugen. So kann z. B. die Entziehung einer Fraktion an einem vorigen und die einer andern Fraktion an einem folgenden Entmisehungselement mit einer einzigen Pumpe ausgeführt werden.
In der Regel werden zum Ausführen des Verfahrens Pumpen verwendet, deren Leistungen gleich gross sind.
Anstatt eine Trennungsmethode mittels Diffusion durch eine poröse Wand zu benutzen, kann die Trennung in den Entmischungselementen auch durch jedes andere an sich bekannte Trennungsverfahren stattfinden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung wird an Hand der beigefügten Zeichnung erläutert, in der in Fig. 1 eine Vorrichtung dargestellt ist, die aus fünf hintereinandergeschalteten Entmisehungselementen besteht, deren jedes für sich eine teilweise Entmischung dadurch herbeiführt, dass das Gasgemisch zum Teil durch eine poröse Wand diffundiert. Fig. 2 stellt eine Vorrichtung dar, die gleichfalls aus fünf Entmischungselementen besteht, in der aber jedes Entmischungselement zwei poröse Wände enthält, deren jede eine teilweise Trennung herbeiführen kann.
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elementen z. B. e ins Auge fasst, so bezeichnet 1 eine Röhre, durch die das Gasgemisch nach c strömt, 2 ist eine mit einer porösen Wand versehene Röhre, die unten abgeschlossen ist und z.
B. aus aufgerolltem Papier bestehen kann ; sie befindet sich im Innern der Röhre 1 und ist mit dieser derart verbunden, dass eine Gasströmung von der Röhre 1 nach der Röhre 2 ausschliesslich durch die poröse Wand hindurch stattfinden kann. Zu diesem Zweck ist das obere Ende der Röhre 1, die aus Glas bestehen kann, durch Verschmelzung an einer Röhre 3 befestigt, welche die Verlängerung der Röhre 2 ist. Die Röhre 1 ist am oberen Ende umgebogen und ist unter Zwischenschaltung der engen Röhre 4 mit der Pumpe 5 verbunden, die das durch das Entmischungselement d zu trennende Gasgemisch zuführt, während die Röhre 3 mit der Pumpe 6 verbunden ist, die das durch das Entmischungselement b zu trennende Gasgemisch zuführt.
Der Widerstand, den das durch die poröse Wand strömende Gas findet, ist dem Widerstand der engen Röhre 4 nahezu gleich. In das Entmischungselement c werden nun mittels der Pumpe 9 zwei Fraktionen
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mischungselement d geführt wird. In dieser Weise wird jede Fraktion, nachdem sie aus einem gewissen
Entmischungselement einem vorigen bzw. folgenden Entmischungselement zugeführt worden ist, wieder zum Teil zum erstgenannten Entmischungselement zurückgeführt. Hinter der Pumpe 9 ist in der Röhre 1 eine U-Röhre 10 zwischengeschaltet, die mittels flüssiger Luft gekühlt sein kann, um das zu trennende
Gasgemisch von Unreinigkeiten zu befreien, die von der Pumpe herrühren.
Um nun mit Hilfe dieser Vorrichtung ein bestimmtes Gasgemisch zu trennen, wird eine gewisse Menge dieses Gemisches in die Vorrichtung, z. B. in das erste Entmischungselement, eingeführt. Zu diesem Zwecke wird die Vorrichtung erst möglichst stark entlüftet, worauf das Gasgemisch zugelassen wird, bis ein bestimmter Druck, z. B. von 0'5 mm Quecksilbersäule, erreicht ist. Darauf wird die Vorrichtung in Betrieb gesetzt, bis in der Verteilung des teilweise getrennten Gasgemisches auf die verschiedenen Entmischungselemente ein Gleichgewichtszustand entstanden ist. In den besonders zu diesem Zwecke vorgesehenen Gefässen 12 und 11, die mit dem ersten bzw. letzten Entmischungselement verbunden sind, befinden sich dann Fraktionen, die an bestimmten Komponenten verarmt bzw. bereichert sind.
Im Falle einer Trennung eines Gemisches von zwei Gasen wird sich eine Fraktion, die reich an der einen Komponente oder sogar praktisch frei von der andern Komponente sein kann, im Gefäss 11 und eine Fraktion, die reich an der andern Komponente ist, im Gefäss 12 ansammeln. Wenn man z. B. ein Gemisch von Helium und Neon trennen will, so wird mit Rücksicht auf den Umstand, dass Helium die grössere Diffussionskonstante hat, dieses Gas mehr nach links als nach rechts strömen, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Man wird dann im Gefäss 12 ein heliumreiches Gemisch antreffen.
Die Anzahl von Entmischungselementen, die man gebrauchen muss, hängt natürlich von dem angestrebten Grad der Trennung und bei einer Trennung mittels Diffusion auch von dem Verhältnis der Diffusionskonstanten der zu trennenden Gase ab. Ist der Gleichgewichtszustand erreicht, so wird die von einem Entmischungselement einem zweiten Entmischungselement zugeführte Gasmenge der von dem zweiten Entmischungselement dem ersten zugeführten Gasmenge vollkommen gleich sein.
Der Vorrichtung kann aber in ununterbrochenem Betrieb ein Gasgemisch zugeführt und an ihr eine oder mehrere Fraktionen, z. B. die sich im Gefäss 12 ansammelnde Fraktion, entzogen werden. Man erhält dann einen stationären Zustand, in dem nun aber nicht, wie oben beschrieben wurde, die von einem Entmischungselement einem zweiten Entmischungselement zugeführte Gasmenge vollkommen gleich der von dem zweiten Entmisehungselement dem ersten zugeführten Gasmenge ist. Die Gasmenge, die in der Richtung des Gefässes 12 strömt, wo Gasentziehung an der Vorrichtung stattfindet, wird nun grösser sein als die in umgekehrter Richtung strömende Gasmenge, u. zw. wird dieser Unterschied durch die Gasmenge angegeben, die dem Gefässe 12 entzogen wird.
Um aber eine gehörige Trennung zu erzielen, muss die in der Zeiteinheit bei 12 entzogene Gasmenge in bezug auf die in einer gleichen Zeit von einem Entmischungselement zum nächsten strömenden Menge klein sein. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, so erhält man zwar eine grössere Ausbeute, aber die Trennung wird schlechter. Es ist also vorteilhaft, auch falls einem der Gefässe 11 oder 12 Gas entzogen wird, das Verfahren derart auszuführen, dass die von einem Entmischungselement einem zweiten Entmischungselement zugeführte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Entmischungselement der ersten zugeführten Gasmenge ist.
Die Zusammensetzung des durch die poröse Wand hindurch diffundierenden Gasgemisches wird auf der Oberfläche der porösen Wand nicht dieselbe sein. Der Teil der porösen Wand, der zuerst mit dem zu trennenden Gasgemisch in Berührung kommt, in diesem Falle der untere Teil der porösen Wand, wird ein Gemisch durchlassen, das in bezug auf das ankommende Gemisch reicher an der Komponente mit der grössten Diffusionskonstante sein wird. Berücksichtigt man z.
B. ein Gemisch von Helium und Neon, so wird der untere Teil der porösen Wand ein heliumreieheres Gemisch durchlassen ; dadurch kann es aber vorkommen, dass das Gemisch, das sich in der Röhre 1 in der Höhe des oberen Teiles der porösen Wand befindet, derart verarmt an Helium ist, dass das an dieser Stelle durchgelassene Gemisch ebenso reich oder sogar ärmer an Helium ist als das von der Pumpe 9'zugeführte Gemisch. An dieser Stelle der porösen Wand hat also die Trennung keine Nutzwirkung mehr. Um diesen Übelstand zu beheben, empfiehlt es sich, durch die poröse Wand nur einen kleinen Teil des Gasgemisches abzusaugen und das
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einen nicht porösen Teil 20 über und ist durch Einschmelzung in der Röhre 18 befestigt.
Mittels der Pumpen 15, 14 und 21 werden nun Fraktionen des von der Röhre 13 zugeführten Gasgemisches abgesaugt.
Es kann nun aber so eingerichtet werden, dass z. B. durch die poröse Wand 16 ein Sechstel, durch die poröse Wand 19 vier Sechstel und durch die Röhre 18 ein Sechstel abgesaugt werden. Die durch die poröse Wand 19 abgesaugte Fraktion wird nun durch die Röhre ; ? wieder dem Entmischungselement c'
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und der Röhre 18 je viermal so gross als jener der porösen Wand 19 sei. Am ersten und am letzten Element sind zwei Gefässe 22 und 23 angebracht, in denen sich die heliumreichste bzw. neonreichste Fraktionen ansammeln. Es hat sich herausgestellt, dass mit dem Verfahren gemäss der Erfindung, selbst in Gemischen von Gasen, die bisher schwer zu trennen waren, eine sehr weitgehende Trennung erzielt werden kann.
Es ist sogar möglich, mit diesem Verfahren Isotopen, z. B. die Isotopen von Neon, voneinander zu trennen.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die entmischen Fraktionen den unmittelbar neben dem entmischenden Element liegenden Entmischungselementen zugeführt werden, so können di & Fraktionen auch weiter entfernt liegenden Elementen zugeführt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur ununterbrochenen Trennung eines Gasgemisches, in welchem eine Reihe von Entmischungselementen gegebenenfalls auch mehrmals verwendet wird, deren jedes für sich imstande ist eine teilweise Entmischung in zwei oder mehr Fraktionen herbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Fraktionen, je nach ihrer Zusammensetzung, zwei oder mehr Entmischungselementen auf beiden
Seiten oder auch dem betreffenden Entmischungselement selbst, derart zugeführt werden, dass die von einem Elemente einem zweiten Entmischungselemente zugeführte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Entmischungselemente dem ersten Elemente zugeführten Gasmenge, oder die den Entmischungelementen auf einer Seite eines bestimmten Entmischungselementes zugeführte Gasmenge nahezu gleich der den Entmischungselementen auf der andern Seite zugeführten Gasmenge ist.