DE102009047795A1

DE102009047795A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Auftrennung von Gasen sowie Verwendung dazu

Info

Publication number: DE102009047795A1
Application number: DE102009047795A
Authority: DE
Inventors: Balint Sipos
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auftrennung von Gasen, insbesondere eine bei der die Gase mittels einer Membran aufgetrennt werden. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung und eines derartigen Verfahrens. Gemäß der Erfindung wird der Wirkungsquerschnitt des Gases, beispielsweise thermisch oder mittels Plasma-Anregung, gezielt verändert, so dass eine leichtere Auftrennung durch die Porengröße der Filtermembran ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auftrennung von Gasen, insbesondere eine bei der die Gase mittels einer Membran aufgetrennt werden. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung und eines derartigen Verfahrens.
Bekannt sind Gastrennungsanlagen, bei denen mittels einer Membran Gase, wie z. B. Abtrennung von CO₂ aus Gasgemischen oder Isotopen aufgetrennt werden. Dabei trennt die Membran einen Überdruckbereich mit dem aufzutrennenden Gasgemisch von einem Unterdruckbereich mit den augetrennten Gasen oder Filterprodukten. Da die Gase, in Abhängigkeit von Ihrer Größe unterschiedliche Diffusionsraten durch die Membran haben, erfolgt eine Trennung durch die Membran. Die Durchlässigkeit hängt von der Porenweite des Filters und von der Teilchengröße der Gasmoleküle ab. Die für die Durchlässigkeit relevante Teilchengröße ist der Wirkungsquerschnitt der Gasmoleküle. Dieser ist wiederum von der Gasart und von dem Energiezustand abhängig.
Es ist jedoch problematisch, einen Filter oder eine Membran mit einer so exakten Porenweite zu realisieren, dass bei Raumtemperatur eine Gasart durchgelassen wird, während die anderen abgehalten werden.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gastrennung mittels Membran oder Filter zu schaffen, durch das eine Gasart oder ein Isotop von einer anderen Gasart abtrennbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die hier in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarte Erfindung gelöst.
Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abtrennung von Gasen mittels einer Membran, die einen Überdruckbereich von einem Unterdruckbereich trennt, bei der im Überdruckbereich das Gasgemisch und im Unterdruckbereich das abgetrennte Gas vorliegt, wobei vor der Membran im Überdruckbereich eine Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnitts der/des Gase(s) vorgesehen ist, durch die der Energiezustand des Gases im Überdruckbereich durch Plasma-, thermische-, UV- und/oder Laseranregung derart verändert werden kann, dass sich der Wirkungsquerschnitt des abzutrennenden Gases so stark vom Wirkungsquerschnitt der/des verbleibenden Gase(s) unterscheidet, dass durch die Porenweite der Membran die Gase aufgetrennt werden können. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Auftrennung von Gasen, bei dem ein Gasgemisch einer Überdruckkammer zugeführt wird, dort der Wirkungsquerschnitt des Gases verändert wird, bevor das Gas durch eine Filtermembran in eine Unterdruckkammer entspannt und aufgetrennt wird. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung der gezeigten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes des/der Gase automatisch oder manuell und/oder dynamisch einstellbar. Dabei wird mit einem Mess-, Regel- und/oder Steuermechanismus im Überdruckbereich der Wirkungsquerschnitt des/der Gase festgestellt, also sensorisch erfasst und danach die Art und das Maß der Anregung dementsprechend eingestellt. Das kann automatisiert oder manuell erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Gasgemisch der Membran wiederholt zugeführt, so dass die Abtrennungsrate sukzessive erhöht wird.
Gemäß dieser Ausführungsform kann, je nach Menge des aufzutrennenden Gasgemisches auch eine mehrstufige, kaskadenförmige Auftrennung mit mehreren hintereinander geschalteten Membranen/Anordnungen zur Veränderung des Wirkungsquerschnitts vorgesehen sein.
Um die Durchlass-Schwelle bei einer gegebenen Porenweite zu bestimmen, kann für jede Gasart eine Durchlasskennlinie ermittelt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert.
1 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei der die Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes ein Plasmagenerator ist.
2 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei der die Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes eine Wärmequelle ist.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Abtrennung von Gasen schematisch gezeigt. Über den Gaseinlass 1 gelangt das Gasgemisch (nicht gezeigt) in eine Kammer oder ein Einlassgefäß mit Überdruck 2. Dort befindet sich die Filtermembran 3 und eine Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes der Gase 4, die vorliegend in Form zweier Plasmadüsen realisiert ist. Die Plasmadüsen werden über einen Plasmagenerator 5 gespeist, der seinerseits über eine Regelung 6 einstellbar ist. Auf der anderen Seite der Filtermembran 3 befindet sich das Auslassgefäß mit Unterdruck 7 aus dem heraus die Gasleitung 8 über einen Gassensor 9, an den die Regelung 6 angeschlossen ist, zum Gasauslass 10 führt. Die Filtermembran 3 kann aus verschiedenen Materialien sein, beispielsweise haben sich Membranen aus der Carbon-Nanotube-Technologie dafür bewährt.
Das für die Abtrennung erforderliche Energieniveau zur Bildung des erwünschten Wirkungsquerschnittes wird dadurch erreicht, dass das abzutrennende Gasgemisch vor der Filtermembran durch eine Entladungsstrecke geführt und ionisiert wird.
Je höher der Ionisierungsgrad der Gasmoleküle, desto höher ist auch ihr Wirkungsquerschnitt. Dieser Zusammenhang ist bekannt und beispielsweise bei Philipp Schmitz: ”Die Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnittes für die Fragmentation der isoelektrischen Moleküle CO₂, N₂O und OCS in Stößen mit schnellen Protonen (Dissertation) beschrieben. Wenn die Wirkungsquerschnitte der Gase in der Größenordnung der Filterporenweite liegen, wird über die Regelung 6 die optimale Selektivität eingestellt.
2 zeigt auch schematisch eine Vorrichtung zur Abtrennung von Gasen. Über den Gaseinlass 1 gelangt das Gasgemisch (nicht gezeigt) in eine Kammer oder ein Einlassgefäß mit Überdruck 2. Dort befindet sich die Filtermembran 3 und eine Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes der Gase 4. Diese ist vorliegend durch eine Wärmequelle, insbesondere durch einen IR-Strahler realisiert, der durch ein Fenster 11 hindurch in das Einlassgefäß 2 hineinstrahlt. Auf der anderen Seite der Filtermembran 3 befindet sich das Auslassgefäß mit Unterdruck 7 aus dem heraus die Gasleitung 8 über einen Gassensor 9 zum Gasauslass 10 führt.
Um das für die Selektion notwendige Energieniveau der Gasmoleküle zu erreichen, wird das Gasgemisch an der Einlass-Seite des Filters so stark erwärmt, dass der Wirkungsquerschnitt und damit die Diffusionsrate der Komponenten in den Porenweitenbereich der Filtermembran 3 kommt. Die Wärmeeinkopplung erfolgt gemäß 2 durch Strahlungswärme über ein transparentes Fenster 11. Ebenso gut kann die Wärmeeinkopplung durch Erwärmen der Gefäßwand oder auf erwärmten Absorberflächen oder durch Erwärmen der Filtermembran erfolgen.
Zur Erhöhung der Selektivität erfolgt die Erwärmung beispielsweise durch eine Laseranregung der Gase, die wellenlängenabhängig durchführbar ist, so dass nur eine bestimmte Gasart erwärmt wird, während die anderen im Ausgangszustand bleiben.
Neben den hier gezeigten Beispielen kann die Veränderung des Wirkungsquerschnittes auch durch UV-Anregung oder sonstige Strahlungsanregung durchgeführt werden. Mit Hilfe von UV-Strahlen können beispielsweise die Gase auf ein Energieniveau gebracht werden, bei dem ihr Wirkungsquerschnitt in der Größenordnung der Porenweite des Filters kommt.
Schließlich kann die Veränderung des Wirkungsquerschnittes noch durch Erwärmen der Filtermembran selbst erfolgen. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass Gasteilchen, wenn sie auf eine heiße Oberfläche treffen und elastisch abgestoßen werden, eine Zunahme an kinetischer Energie zeigen. Ihre Bewegungsrichtung zeigt von der Oberfläche weg und ihre Geschwindigkeit ist umgekehrt proportional zu ihrer Masse. Wird die Oberfläche einer Filtermembran erwärmt, verhält sie sich ähnlich. Leichte Moleküle haben dann durch die Membran eine niedrigere Diffusionsrate als schwere, das heißt, der Gasdurchlass ist masseabhängig selektiv. Zur besseren Absorption der Strahlungswärme wird die Einlass-Seite der Membran geschwärzt. Bei diesem Trennungsverfahren sollte der Druck so gewählt werden, dass die freie Weglänge im Gas diese selektive Molekularbewegung ermöglicht, also der Druck sollte nicht höher als Atmosphärendruck sein (Freie Weglänge ca. 70 nm).
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann beispielsweise zur Trennung des CO₂ von Luft eingesetzt werden. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, dass hier auch eine Luftreinigung in geschlossenen Systemen, also auch in hermetisch dichten Räumen, möglich ist.
Ebenso kann die Vorrichtung nach der Erfindung zur Isotopentrennung eingesetzt werden. Da Elemente und ihre Isotope sich chemisch von einander nicht unterscheiden, gibt es auch keine rein chemischen Verfahren zur Auftrennung von Isotopen. Physikalische Verfahren wie Gaszentrifugen oder Gasdiffusions verfahren sind sehr teuer, so dass die hier erstmals gezeigte Abtrennung der Isotope mittels Membran durch Ausnutzung der gasartabhängigen Wirkungsquerschnitte eine günstige technische Alternative darstellt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auftrennung von Gasen, insbesondere eine bei der die Gase mittels einer Membran aufgetrennt werden. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung und eines derartigen Verfahrens. Gemäß der Erfindung wird der Wirkungsquerschnitt des Gases, beispielsweise thermisch oder mittels Plasma-Anregung, gezielt verändert, so dass eine leichtere Auftrennung durch die Porengröße der Filtermembran ermöglicht wird.

Claims

Vorrichtung zur Abtrennung von Gasen mittels einer Membran, die einen Überdruckbereich von einem Unterdruckbereich trennt, bei der im Überdruckbereich das Gasgemisch und im Unterdruckbereich das abgetrennte Gas vorliegt, wobei vor der Membran im Überdruckbereich eine Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnitts der/des Gase(s) vorgesehen ist, durch die der Energiezustand des Gases im Überdruckbereich durch Plasma-, thermische-, UV- und/oder Laseranregung derart verändert werden kann, dass sich der Wirkungsquerschnitt des abzutrennenden Gases so stark vom Wirkungsquerschnitt der/des verbleibenden Gase(s) unterscheidet, dass durch die Porenweite der Membran die Gase aufgetrennt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung zur Veränderung des Wirkungsquerschnittes des/der Gase dynamisch durch eine Mess-, Steuer-, und Regelungstechnik steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Regelung und Steuerung automatisch und/oder manuell erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mehrere Filtermembranen hintereinandergeschaltet aufweist, so dass das Gasgemisch mehrfach einer Auftrennung durch eine Filtermembran unterzogen wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Filtermembran eine Carbon-Nanotube-Technologie zeigt.
Verfahren zur Auftrennung von Gasen, bei dem ein Gasgemisch einer Überdruckkammer zugeführt wird, dort der Wirkungsquerschnitt des Gases verändert wird, bevor das Gas durch eine Filtermembran in einer Unterdruckkammer entspannt und aufgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Gasgemisch mehrfach durch eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Filtermembranen geführt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 oder 7, zur Abtrennung von Kohlendioxid oder zur Isotopenauftrennung.