DE1028540B - Verfahren zur Trennung von Gemischen durch Thermodiffusion - Google Patents

Description

• Verfahren zur Trennung von Gemischen durch Thermodiffusion Bekanntlicll beruht der Trenneffekt der Thermodiffusion darauf. daß sich in einer Phase, in der ein Temperaturgefälle aufrechterhalten wird, ein Konzentrationsgefälle einstellt. Werden nun Zonen verschiedener Temperatur im Gegenstrom zueinander geführt so läßt sich diese Konzentrationsverschiebung zu einem auch technisch brauchbaren Trennverfahren verwenden. Zu diesem Zweck wird das zu trennende Gemisch am zweckmäßigsten zwischen zwei Begrenzungsfiäden, deren eine erhitzt und deren andere gekühlt wird. diesem Gegenstromprozeß unterworfen. Als apparative Anordnung lassen sich hierzu am besten zwei konzentrische Rohre verwenden, wobei sich das zu trennende Gemisch in dem Zwischenraum zwischen beiden Rohren, von denen das eine geheizt und das andere gekühlt wird. befindet. Der WIaterialtransport erfolgt durch den Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen der warmen und der kalten Zone. Die Zonen verschiedener Temperatur und damit auch verschiedenen spezifischen Gewichtes sind, da es sich ja hier um ein einphasiges Trennverfahren handelt. nicllt scharf voneinander getrennt. Es befindet sich somit zwischen der nach oben steigenden warmen und der nach unten fallenden kalten Zone eine verhältnismäßig breite Schicht, die an dieser Gegenstrombewegung nur geringen Anteil nimmt. Diese Zwischenschicht behindert nun die Geschwindigkeit des Austausches zwischen den schneller gegeneinander strömenden Zone. deshalb ist der Trenneffekt der Anlage um so größer. je dünner diese nur schwade bewegte Zwischenschicht ist. Die Größe dieser Zwischenschicht wiederum hängt nuii stark von dem Abstand zwischen der gekühlten wld der erhitzten Wand ab. Man kann diesen Abstand jedoch nicht beliebig klein wähleii, da liei zu kleinem Wandabstand die Gegenstromgeschwindigkeit, d. h. also auch der Mengendurchsatz. sehr stark absinkt. Im Extremfall wird die Geschwindiglceit so gering. daß sie in der Größenordnung der Diffusionsgeschwindigkeit liegt, so daß also keine nennenswerte Trennung mehr eintreten kann. Bei zu großem Wandabstand wird zwar der Material durch Satz zunächst größer. jedoch wird hier im Extremfall eine sehr große Mittelschicht mit starker, turbulenter Strömung auftreten, die ebenfalls den Trenneffekt der ganzen Anlage sehr verschlechtert. Man erhält daher für jedes Gemisch einen optimalen Wandabstand. der von den physikalischen Eigenschaften dieses Gemisches al)hällgt.
• Bei den zweiphasigen Austauschprozessen, deren Austauscheffekt auf dem Phasenübergang zwischen gasförmiger und flüssiger Phase beruht, wie Destillation, Gegenstromverteilung, Gegenstromadsorptionell, chemischell Gegenstromaustauschreaktionen usw., ist null ebenfalls eine Abhängigkeit des Aus- tauscheffektes einer Gegenstromanlage von der Schichtdicke der gegeneinander strömenden Phasen gegeben. Je geringer diese Schichtdicke ist, desto besser ist die Trennwirkung. Nach unten wird diese Schichtdicke durch den Umstand begrenzt, daß bei zu geringen Schichtdicken ein Mitreißen einer Phase durch die andere erfolgt. d. h., es tritt die Stauung einer Phase ein. Diese kritische Schichtdicke, die ebenfalls von den physikalischen Eigenschaften der Phasen abhängt, ist jedoch in fast jedem Falle geringer als die optimale Schichtdicke bei einem in nur einer Phase durchgeführten Thermodiffusionstrennverfahren.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun darin, den Trenneffekt der Thermodiffusion, der in vielen Fällen größer ist als der bei einem Phasenübergang auftretende Trenneffekt, mit einem zweiphasigen Gegenstromprozeß zu koppeln, der den Vorteil des viel größeren Dichteunterschiedes zwischen den gegenströmenden Phasen hat und der deshalb eine wesentlich größere Gegenstromgeschwindigkeit bei zugleich verringerten Schichtdicken gestattet.
• Der Vorteil dieses Kombinationsverfahrens gegenüber den bekannten Thermodiffusionsverfahren, die mit nur einer einzigen Phase (meist der Gasphase) arbeiten. liegt nicht so sehr darin, daß ein in der flüssigen Phase auftretender Thermodiffusionstrenneffekt zu dem meist größeren Thermodiffusionstrenneffekt in der Gasphase addiert wird, sondern in folgendem 1. DieDicke der gegeneinander strömenden Schichten kann beim Kombinationsverfahren bedeutend geringer und die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich größer gewählt werden als beim reinen Gasphasenverfahren, da die beiden gegeneinander strömenden Schichten im ersten Fall aus zwei Phasen mit stark unterschiedlichtem spezifischem Gewicht und im zweiten Fall aus Zonen einer Phase mit viel weniger unterschiedlichem spezifischem Gewicht bestehen. Der Vorteil der verringerten Schichtdicke und der höheren Strömungsgeschwindigkeit ist eine stark verbesserte Trennwirkung bei gleichzeitig erhöhtem Materialdurchsatz.
• 2. Das Kombinationsverfahren ermöglicht, im Gegensatz zum Gasphasenverfahren, mit turbulenter Strömung in einer oder beiden Phasen zu arbeiten, was ebenfalls eine verbesserte Trennwirkung und erhöhten Materialdurchsatz ergibt.
• 3. Dem Trenneffekt der Thermo diffus ion kann ein beim Phasenübergang der Teilchen auftretender Trenneffekt überlagert werden, z, B. Konzentrationsänderungen bei der Verdampfung bzw. Kondensation, bei der Gasadsorption hzw. Desorption oder bei einer chemischen Austauschreaktion.
• Das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem bei Trennaufgabexa gegeben, bei denen ein normales zweiphasiges Gegenstromtrennverfahren zu große Schwierigkeiten bietet und bei denen der Therinodiffusionseffekt genügend groß ist.
• Als Beispiel seien hier genannt die Trennung von Isototen, die Trennung von Stoffen verschieden großen Molekulargewichtes, jedoch ähnlicher physikalischer Eigenschaften, und die Abscheidung von Schwebeteilchen wie Rauch oder Nebel.
• Zur Durchführung des Verfahrens führt man eine flüssige und eine gasförmige Schicht im Gegenstrom zueinander und legt senkrecht zur Richtung des Gegenstroms ein Temperaturgefälle an. Zweckmäßig läßt man hierbei die flüssige Schicht entlang einer gekühlten Wand nach abwärts fließen und die gasförmige Schicht entlang einer gegenüberliegenden beheizten Wand nach oben strömen. Die gegenüberliegenden Wände kann man z. B. in Form konzentrischer Rohre anordnen.
• Die gegeneinander strömenden Schichten können sowohl laminar als auch turbulent strömen. Im Falle einer turbulenten Strömung der Schichten ist das Temperaturgefälle vor allem in den laminaren Grenzzonen stark ausgeprägt. Dieses Temperaturgefälle in den laminaren Grenzzonen bedingt im Gegensatz zu den bekannten einphasigen Diffus ionstrennverfahren auch hei turbulenter Strömung einen Trenneffekt.
• Als den Materialtransport bewirkender zweipliasiger Gegenstromprozeß können für das erfindungsgemäße Verfahren alle an sich bekannten zweiphasigen Gegen stromaustauschprozesse eingesetzt werden, wie z. B. rektifizierende Destillation, Rektifikation mit einem Trägergas, fraktionierte Kondensation, fraktionierte Dünnschichtverdampfung, alternierende fraktionierte Verdampfung und fraktionierte Kondensation, Gegen stromgasadsorption, chemische Gegenstromaustauschreaktion usw. Statt einem Austauschprozeß zwischen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase kann auch ein Austauschprozeß zwischen zwei verschiedenen gegeneinander strömenden flüssigen Phasen stattfinden.
• Das Verfahren sei nun noch an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• Ausführungsbeispiel Trennung der Stickstoffisotopen Die hierzu benötigte Apparatur besteht im wesentlichen aus zwei senkrechten konzentrischen Rohren, wobei das Innere elektrisch beheizt ist, während das Äußere von außen mit Wasser gekühlt wird. Der Austauschprozeß findet in dem Ringraum zwischen den beiden Rohren statt. Hierzu läßt man von unten in diesen Ringraum Ammoniak einströmen, während man von oben auf die Innenseite des äußeren Rohres Ammonsulfatlösung in gleichmäßig dünner Schicht aufgibt. Die durch das Temperaturgefälle bedingte Thermodiffusion bewirkt nun, daß in der herabfließenden Ammonsulfatlösung die leichten Stickstoffatome und in dem aufsteigenden Ammoniak die schweren Stickstoffatome bevorzugt in die Grenzschichten der beiden Phasen diffundieren. Infolge dieser Konzentrationsverschiebung läßt sich ein wesentlich besserer Trenneffekt erreichen als bei einer Gegen stromaustauschreaktioll ohne überlagerte Thermodiffusion. Gegenüber der bekannten Trennung der Stickstoffisotopen durch Thermodiffusion von Arnmoniak in der Gasphase sind die bereits erwähnten Vorteile eines schnelleren Älaterialdurchsatzes und eines größeren Trenneffektes gegeben.
• PATENTANSPRI3CHE 1. Verfahren zur Trennung von Gemischen durch Thermodiffusion zwischen zwei senkrechten Wän den, von denen eine gekühlt und die andere beheizt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei verschiedene Phasen, von denen wenigstens eine flüssig ist und die andere gasförmig sein kann, zwischen den senf. rechten Wänden im Gegenstrom zueinander geführt werden.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn. zeichnet, daß die flüssige Schicht entlang einer ger kühlten Wand abwärts fließt und die gasförmige Schicht entlang einer beheizten Wand nach oben strömt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Schichten turbulent strömen.

   4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Schicht ganz oder teilweise aus dem Dampf der flüssigen Schicht besteht.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Schicht ein Lösungsvermögen für die gasförmige Schicht auf weist.

   6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Phasen solche Stoffe verwendet sind, die miteinander eine chemische Austauschreaktion eingehen.

   In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 541 071.