DE1280817B

DE1280817B - Device for separating gas mixtures

Info

Publication number: DE1280817B
Application number: DEP30640A
Authority: DE
Inventors: Oak Lane Manor; Sebastian Vito Roc Mastrangelo; William Roscoe Remington
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1961-11-30
Filing date: 1962-11-24
Publication date: 1968-10-24
Also published as: FR1340495A; GB1019881A; LU42763A1; CH420060A; NL139010B; NL286130A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WTWW8>> PATENTAMT FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN WTWW8 >> PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

Nummer:
Aktenzeichen:
Ahmeldetag:
Auslegetag:Number:
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Display day:

BOIdBOId

Deutsche KL: 12 e-3/04German KL: 12 e-3/04

P 12 80 817.2-43 (P 30640)P 12 80 817.2-43 (P 30640)

24. November 1962November 24, 1962

24. Oktober 1968October 24, 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit einem Druckbehälter und mindestens einer Trennwand, durch die der Behälter hermetisch in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei in der Trennwand Bündel aus dicht gepackten, nicht porösen, gasdurchlässigen feinen Röhrchen gasdicht gehalten sind, von denen mindestens ein offenes Ende in den ersten Abschnitt ragt, während der restliche Teil der Röhrchen in den zweiten Abschnitt hineinragt, wobei der Hohlraum in den Röhrchen gegen die Umgebung in diesem zweiten Abschnitt geschlossen ist, der einen Einlaß und einen Auslaß für das Durchströmen eines unter Druck stehenden Gases aufweist, und der erste Abschnitt mit einem Auslaß zum Abführen des unter — verglichen mit dem zweiten Abschnitt — niedrigerem Druck stehenden abgetrennten Gases versehen ist.The invention relates to a device for separating gas mixtures with a pressure vessel and at least one partition through which the container is hermetically divided into at least two sections is, wherein in the dividing wall bundles of tightly packed, non-porous, gas-permeable fine tubes are kept gas-tight, of which at least one open end protrudes into the first section, while the remaining part of the tube protrudes into the second section, the cavity in the The tube is closed to the environment in this second section, which has an inlet and a Having outlet for the passage of a pressurized gas, and the first section with an outlet for discharging the lower - compared to the second section - lower Pressurized separated gas is provided.

Derartige Vorrichtungen dienen zum Trennen von Gasen aus Gasgemischen durch einen Vorgang, der im allgemeinen als »aktivierte Diffusion« durch eine so nicht poröse Sperrwand bezeichnet wird (vgl. hierzu den Artikel von R. M. B a r r e r, »Activated Diffusion in Membranes« in den »Transactions of the Faraday Society«, Bd. 35, S. 644 bis 656 [1939]). Der gleiche Vorgang wird auch in den USA.-Patentschriften 2 540151 und 2540142 beschrieben und hier als »Durchdringung« dünner, nicht poröser Membranen bezeichnet. In der nachfolgenden Beschreibung werden die beiden Ausdrücke »Durchdringung« und »aktivierte Diffusion« im gleichen Sinn gebraucht.Such devices are used to separate gases from gas mixtures by a process that is generally referred to as "activated diffusion" through such a non-porous barrier wall (cf. the article by R. M. B a r r e r, "Activated Diffusion in Membranes "in the" Transactions of the Faraday Society ", vol. 35, pp. 644 to 656 [1939]). Of the the same process is also described in U.S. Patents 2,540,151 and 2,540,142 and here referred to as "penetration" of thin, non-porous membranes. In the following description are the two terms "penetration" and "activated diffusion" are used in the same sense.

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum Abscheiden einer oder mehrerer Komponenten eines Gasgemisches durch aktivierte Diffusion durch Sperrwände hindurch bekannt, die z. B. aus Glas oder verschiedenen organischen Polymerisaten, wie Polyäthylenen, Äthylcellulose, Cellulosepropionat und Polystyrol, bestehen können. In jedem Fall durchdringen bei diesen Vorrichtungen eine oder mehrere Komponenten des Gasgemisches eine nicht poröse Sperrwand. Diese Trennung der verschiedenen Kornponenten der Gase scheint von der chemischen Beschaffenheit und der Mölekülgröße abhängig zu sein. Es ist bereits mehrfach in der Literatur darauf hingewiesen worden, daß eine extrem große Oberfläche und sehr geringe Dicke für eine Diffusion des Materials in einer solchen Menge erforderlich sind, damit derartige Vorrichtungen wirtschaftlich brauchbar sind. Das zu beachtende Problem liegt dabei im wesentlichen auf mechanischem Gebiet, da es schwierig ist, eine ausreichend große Fläche des Sperrwandmaterials von ausreichend geringer Stärke innerhalb eines ausreichend kleinen Volumens anzuordnen.There are already various devices for separating one or more components of a Gas mixture known by activated diffusion through barrier walls, the z. B. made of glass or various organic polymers such as polyethylenes, ethyl cellulose, cellulose propionate and Polystyrene. In any case, one or more penetrate these devices Components of the gas mixture a non-porous barrier wall. This separation of the different components of the gases seems to be dependent on the chemical composition and the size of the molecule. It has already been pointed out several times in the literature that an extremely large surface and very small thicknesses are required for diffusion of the material in such an amount as that such devices are economically viable. The problem to be considered is essentially here in the mechanical field, as it is difficult to have a sufficiently large area of the barrier wall material of sufficiently small thickness within a sufficiently small volume.

Vorrichtung zum Trennen von GasgemischenDevice for separating gas mixtures

Anmelder:Applicant:

E. I. du Pont de Nemours and Company,E. I. du Pont de Nemours and Company,

Wilmington, Del. (V. St. A.)Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. DannenbergDipl.-Ing. G. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,and Dr. V. Schmied-Kowarzik, patent attorneys,

6000 Frankfurt, Große Eschenheimer Str. 396000 Frankfurt, Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

William Roscoe Remington,William Roscoe Remington,

Lindamere, Wilmington, DeL;Lindamere, Wilmington, DeL;

Sebastian Vito Rocco Mastrangelo,Sebastian Vito Rocco Mastrangelo,

Oak Lane Manor, Wilmington, Del. (V. St. A.)Oak Lane Manor, Wilmington, Del. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. November 1961
(156014)Claimed priority:
V. St. ν. America November 30, 1961
(156014)

Um die Leistung einer geometrischen Anordnung genau zu bestimmen, kann man hier eine »Leistungszahl«, wie sie nachstehend beschrieben wird, zuordnen. Die Leistungszahl ist unabhängig von den verwendeten Materialien und den Bedingungen, unter denen die Vorrichtung arbeitet. Bei einer gegebenen Zusammensetzung der Sperrwand, einem gegebenen Gemisch, das zu trennen ist, einer gegebenen Temperatur und gegebenen Eingangs- und Ausgangsdrücken ist die Leistungszahl ein Maß der maximalen Geschwindigkeit, mit der die Diffusion zu erwarten ist. Die Leistungszahl wird durch die GleichungIn order to precisely determine the performance of a geometric arrangement, you can assign a "performance figure" here, as described below. The coefficient of performance is independent of the materials used and the conditions under which the Device works. For a given composition of the barrier wall, a given mixture, that is to be separated, a given temperature and given inlet and outlet pressures is the Coefficient of performance a measure of the maximum speed with which diffusion can be expected. The performance figure is given by the equation

Leistungszahl = Performance figure =

definiert. In dieser Formel steht -ψ für die effektive Diffüsionsfiäche der Sperrwand je Volumeinheit der Diffusionsvorrichtung, Γ für die Dicke der Diffusionswand und π ist das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser eines Kreises. Hieraus läßt sich erkennen, daß die Sperrschicht zur Erzielung maximaler Leistung so dünn wie möglich sein und außerdem eine große Fläche je Volumeinheit besitzen muß.Are defined. In this formula -ψ stands for the effective diffusion area of the barrier wall per unit volume of the diffusion device, Γ for the thickness of the diffusion wall and π is the ratio of the circumference to the diameter of a circle. From this it can be seen that in order to achieve maximum performance the barrier layer must be as thin as possible and also have a large area per unit volume.

809 628/1619809 628/1619

3 43 4

Es ist bereits eine Trennvorrichtung (vgl. britische Fläche, die in 1 m³~Raum untergebracht werden kann,There is already a separating device (see British area that can be accommodated ^{in 1 m 3 space,}

Patentschrift 869 047) bekannt, welche eine große verhältnismäßig klein ist. Die einzige Diffusions-Patent specification 869 047) known which a large one is relatively small. The only diffusion

Anzahl feiner Röhrchen mit dünnen Wänden enthält; vorrichtung, bei der bereits Kunststoffröhrchen ver-Contains number of fine tubes with thin walls; device in which plastic tubes are already

diese Vorrichtung dient zum Trennen bzw. Ab- wendet wurden, enthielt so große Röhren, daß dieThis device is used for separating or turning away, contained tubes so large that the

scheiden von Helium und unter Umständen von 5 Vorrichtung unwirksam war, wie ihre Leistungszahlseparate from helium and possibly from 5 device was ineffective, as was its coefficient of performance

Wasserstoff aus einem Gasgemisch. Die verwendeten von nur 7,9 cm~² zeigt.Hydrogen from a gas mixture. The used of only 7.9 cm ~ ² shows.

Röhrchen sollen aus_: solchen Glasarten bestehen, die Da, wie oben erwähnt, die Leistungsfähigkeit einer die besondere Eigenschaft haben, daß sie eine solche Diffusionsvorrichtung das Produkt aus Druckuntergenaue Verteilung bzw. Anordnung der Zwischen- schied über der Membran mal Leistungszahl ist, muß räume in ihrem; Atomgitteraufbau haben, daß eine io die Trennmembran in einer solchen Vorrichtung einen Vergrößerung des Atom- oder Moleküldurchmessers erheblichen Druck aushalten können. Werden hierfür eines im Zuge der »aktivierten Diffusion« durch das Röhren mit verhältnismäßig großem Durchmesser Glas hindurchgehenden Gases um einige Zehntel verwendet, muß auch die Wanddicke groß sein, wenn eines Angstroms eine Verringerung der Permeabilität die. Röhren über ausreichende Festigkeit verfügen um ein Tausendfaches oder sogar ein Millionfaches 15 sollen, um die für ein wirksames Arbeiten der Vorzur Folge hat. Bei dieser bekannten Vorrichtung richtung notwendigen Drücke aushalten zu können, werden somit die speziellen Eigenschaften ganz Es sind weiterhin Gastrennyorrichtungen (vgl. spezieller Werkstoffe ausgenutzt, d.h., es wird ein USA.-Patentschrift 2 961062 und französische Paganz spezieller Gitteraufbau des verwendeten Werk- tentschrift 1 305 419) mit Kapillarröhrchen aus Palstoffes zugrunde gelegt. Obwohl diese bekannte Vor- 20 ladium bzw. Palladiumlegierungen bekannt. Bei richtung auch bei Raumtemperaturen und bei Arbeits- diesen bekannten Vorrichtungen liegen die Werte für drücken von mindestens einer Atmosphäre betriebs- den Außendurchniesser und die Wandstärke der fähig sein soll, sind zum wirtschaftlichen Betrieb Kapillarröhrchen verhältnismäßig hoch, was bezügdieser bekannten Vorrichtung jedoch Temperaturen lieh der Leistungszahl unvorteilhaft ist, wobei die zwischen 100 und 800 ⁰C und Arbeitsdrücke bis zu 25 bekannten Vorrichtungen außerdem zur Erzielung 2000 Atmosphären und mehr erforderlich. Obwohl wirtschaftlicher Ergebnisse mit hohen Gasdrücken; weiterhin die bei dieser bekannten Vorrichtung ver- und verhältnismäßig hohen Temperaturen betrieben wendeten Röhrchen eine Wanddicke von 1 Mikron werden müssen. Aus diesem Grundeist es bei diesen haben können, sind, um optimale Betriebsbedingungen Vorrichtungen auch erforderlich, die einzelnen Röhr-, zu erreichen, Wanddicken von 25,4 bis 127,0 Mikron 30 chen so anzuordnen, daß sie sich nicht gegenseitig, notwendig; da der Innendurchmesser der Röhrchen berühren und ferner noch die Möglichkeit haben, sich vier- bis siebenmal größer sein soll als die Wanddicken, unter der Wirkung der thermischen Belastung sowohl sind somit Innendurchmesser von minimal 101,6 Mi- in Längs- als auch in Querrichtung auszudehnen, krön notwendig.. Die' Nachteile der bekannten Vor- Diese bekannten Vorrichtungen sind außerdem nur richtung sind im wesentlichen darin zu sehen: 35 zum Abscheiden von Wasserstoff und Sauerstoff ausTubes should consist of _: those types of glass which, as mentioned above, have the performance of a particular property that they are such a diffusion device the product of pressure-sub-precise distribution or arrangement of the difference over the membrane times the coefficient of performance, must be cleared her; Atomic lattice structure have that a io the separating membrane in such a device can withstand an increase in the atomic or molecular diameter considerable pressure. If, in the course of the "activated diffusion", a gas passing through the tubes with a relatively large diameter glass by a few tenths is used for this purpose, the wall thickness must also be large if an angular current causes a reduction in permeability. Tubes have sufficient strength to a thousand times or even a million times 15, which has to result for an effective work of the vor. To be able to withstand the necessary pressures in this known device direction, the special properties are thus completely 305 419) with capillary tubes made of Palstoffes. Although these are known pre-20 ladium or palladium alloys. With direction also at room temperatures and with working these known devices, the values for pressures of at least one atmosphere are operational, the outer diameter and the wall thickness which should be capable, capillary tubes are relatively high for economical operation, which with regard to this known device, however, lends temperatures the coefficient of performance is disadvantageous, the between 100 and 800 ⁰ C and working pressures up to 25 known devices also required to achieve 2000 atmospheres and more. Although more economical results with high gas pressures; Furthermore, the tubes used in this known device and operated at relatively high temperatures must have a wall thickness of 1 micron. For this reason it is with these, in order to achieve optimal operating conditions, devices are also required, the individual tubes, wall thicknesses of 25.4 to 127.0 microns 30 chen to be arranged so that they are not mutually necessary; because the inner diameter of the tubes touch and also have the option of being four to seven times larger than the wall thickness, under the effect of the thermal load both inner diameters of a minimum of 101.6 mi are to be expanded in the longitudinal and transverse directions , crown necessary .. The 'disadvantages of the known advantages These known devices are also only direction can be seen essentially in: 35 for the separation of hydrogen and oxygen from

a) Es lassen sich nur eine verhältnismäßig geringe Gasgemischen geeignet. ■ .. Anzahl spezieller Glasarten für" die Röhrchen' °^er E^ung hegt die Aufgabe .zugrunde eine verwenden · Gastrennvorrichtung zu schaffen, welche nicht mit den;a) Only a relatively small gas mixture can be used. ■ .. number of special types of glass for "the tubes' ° ^he e ^ ung cherishes the task .zugrunde to create a use · gas separation device which does not with;

b) die Vorrichtung 'ist nur zum Abscheiden von Nachteilen der bekannten Vorrichtungen behaftet ist; Helium oder Wasserstoff aus einem Gasgemisch ⁴° ^dabei S?^ht es^arum, bezuglich der fur. die Rohrchen geeignet" - ... verwendeten Werkstoffe einen größeren Spielraumb) the device is only affected by the disadvantages of the known devices for removing; Helium or hydrogen from a gas mixture ⁴ ° ^with S? ^Is it ^ arum, with regard to the fur. the tubes suitable "- ... the materials used have a greater leeway

c) zum wirtschaftlichen und optimalen Betrieb der ' ²^ Verfügung zu haben die Trennvorrichtung nicht bekannten Vorrichtungen werden verhältnismäßig ™^{Γ zum} Rennen bzw. Abscheiden von Helium oder hohe und damit kritische Verfahrensdrücke und Wasserstoff aus einem Gasgemisch, einsetzen zuc) for the economical and optimal operation of the ' ² ^ available the separating device not known devices are relatively used ^{for the} running or separation of helium or high and thus critical process pressures and hydrogen from a gas mixture

. ■ Veifahrenstemperaturen benötigt; . ^{45 k}.^{omien und} °^ebe? ^emf S^u*^en Leistungszahl die Vor-. ■ process temperatures required; . ^{45 k} . ^{omies and} ° ^ebe ? ^em f S ^u * ^en performance number the advantages

.d) die Röhrchen weisen zum wirkungsvoUen Betrieb ^nchtung ^atf^h _A ^bei. verhältnismäßig niedrigen Tempe-.d), the tubes have, ^at the operating wirkungsvoUen ^nchtun g ^at f ^h _A. relatively low temperature

der Vorrichtung eine verhältnismäßig große raturen und Arbeitsdrucken fahren zu können, ohnethe device to be able to drive a relatively large ratures and working pressures without

Wanddicke und einen verhältnismäßig großen ^daß dadurch die Wirtschaftlichkeit der TrennungWall thickness and a relatively large one ^that thereby the economy of the separation

Innendurchmesser auf, was unter Berücksichtig vermindert wirdInside diameter, which is reduced under consideration

■ gung der oben definierten Leistungszahl un- ⁵° . Zur Losung der der Erfindung zugrunde liegenden vorteilhaft ist Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs bezeich■ the above-defined coefficient of performance un- ⁵ °. In order to achieve the advantageous underlying object of the invention, a device as defined at the outset is provided

neten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnetNeten type proposed, which is characterized

Es sind bereits Kunststoffilme mit einer Dicke von ist, daß die Röhrchen als hohle Fasern aus einem 2,5 bis 250 Mikron als Diffusionswände verwendet polymeren, organischen Material mit einem äußeren worden. In allen Fallen, in denen organische Poly-. 55 Durchmesser von 10 bis 250 Mikron, der das 1,2- bis merisate als Diffusionswand verwendet wurden, hatten 3fache ihres inneren Durchmessers beträgt, ausgebildet sie die Form flacher Platten oder von Röhren mit ver- sind. Die Erfindung besteht somit im wesentlichen hältnismäßig großem Durchmesser. Zum Abstützen darin, daß die Größenabmessungen der verwendeten ser Polymerisatfilme in dieser flachen Form wurde die Röhrchen bzw. Kapillarröhrchen in besonderer Weise Verwendung poröser Unterlagen vorgeschlagen, wie 60 auf bestimmte Werkstoffe abgestimmt sind, welche z. B. eines feinmaschigen Drahtgitters, poröser ge- für den Einsatz in Gasdiffusionszellen geeignet sind, sinterter Metalle oder keramischer Materialien. In Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werdenThere are already plastic films with a thickness of is that the tubes as hollow fibers from a 2.5 to 250 microns as diffusion walls used polymeric, organic material with an outer been. In all cases where organic poly-. 55 diameter from 10 to 250 microns, which is the 1.2 to merisate used as a diffusion wall had 3 times their inner diameter they are in the form of flat plates or tubes with ver. The invention thus essentially consists relatively large diameter. To support in that the size dimensions of the used These polymer films in this flat form became the tubes or capillary tubes in a special way Proposed use of porous documents, such as 60 are matched to certain materials, which z. B. a fine-mesh wire mesh, porous ge are suitable for use in gas diffusion cells, sintered metals or ceramic materials. In by the device according to the invention

allen diesen Fällen führte jedoch die Notwendigkeit in besonders vorteilhafter Weise die oben geschilderten zur Befestigung eines von Natur aus schwachen, Nachteile der bekannten Vorrichtungen behoben, flachen . Filmgebildes dazu, daß bei einer für die 65 d. h., es läßt sich eine außerordentlich große Vielzahl Benutzung ausreichend kräftig ausgebildeten Anord- verschiedener Polymerisate verwenden, die Vorrichnung eine Vorrichtung mit einer viel zu niedrigen tang ist nicht auf das Trennen bzw. Abscheiden von Leistungszahl entstand, da die Größe der aktiven Helium oder Wasserstoff aus einem Gasgemisch be-In all of these cases, however, the necessity led to those described above in a particularly advantageous manner for the attachment of a naturally weak, disadvantages of the known devices remedied, flat. Film structure to the fact that with a for the 65 d. That is, there can be an extremely large number Use a sufficiently strong arrangement of different polymers, use the device a device with a much too low tang is not capable of separating or separating COP arose because the size of the active helium or hydrogen from a gas mixture

schränkt, die zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendigen Betriebsbedingungen, nämlich Verfahrensdruck und Verfahrenstemperatur, sind nicht mehr kritisch — es lassen sich z. B. befriedigende Ergebnisse mit Verfahrensdrücken zwischen 11,3 und 42 kg/cm² erzielen —, und es liegt eine außerordentlich gute Leistungszahl vor. Außerdem braucht kein Abstand zwischen den einzelnen Diffusionsröhrchen eingehalten zu werden, so daß eine erheblich größere Anzahl von Röhrchen und damit eine wesentlich größere DifFusionsfläche pro Volumeinheit der Diffusionstemperatur unterbringbar ist.restricts, the operating conditions necessary to operate the device according to the invention, namely process pressure and process temperature, are no longer critical. B. achieve satisfactory results with process pressures between 11.3 and 42 kg / cm ² - and there is an extremely good coefficient of performance. In addition, there is no need to maintain a spacing between the individual diffusion tubes, so that a considerably larger number of tubes and thus a considerably larger diffusion area per unit volume of the diffusion temperature can be accommodated.

Es ergibt sich somit, daß durch die besondere Wahl der Abmessungen und des Werkstoffes für die Difusionsröhrchen ein besonders hoher Ausbeuteeffekt erzielbar ist, welcher mit den bekannten Vorrichtungen auch bei Einsatz hoher Gasdrücke und starker Aufheizung nicht realisierbar war.It thus follows that the special choice of dimensions and material for the diffusion tubes a particularly high yield effect can be achieved, which with the known devices was not possible even with the use of high gas pressures and strong heating.

Wie bereits erwähnt, werden durch die erfindungsgemäß verwendeten Kapillarröhrchen bzw. Kapillarfasern Leistungszahlen erzielt, die bisher als unerreichbar galten. Beispielsweise erhält man bei Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in einem Artikel von C. J. Walters, »Process Natural Gas by Permeation«, veröffentlicht in »Petroleum Refinery«, Mai 1959, S. 147 bis 150 einschließlich, beschrieben wird, mit Diffusionsröhren von 1570 Mikron äußerem Durchmesser und 1140 Mikron innerem Durchmesser und mit der beschriebenen geometrischen Anordnung eine Leistungszahl von nur 7,9 cm"². Selbst wenn die Röhren eng zusammengepackt sind (quadratisch dicht gepackt, d. h. daß alle Röhren parallel zueinander liegen und jede Röhre vier weitere Röhren berührt), läßt sich nur eine maximale Leistungszahl von 255 cm~² erzielen.As already mentioned, the capillary tubes or capillary fibers used according to the invention achieve coefficients of performance which were previously considered unattainable. For example, using an apparatus such as that described in an article by CJ Walters, "Process Natural Gas by Permeation," published in "Petroleum Refinery," May 1959, pp. 147-150 inclusive, results in 1570 micron diffusion tubes outer diameter and 1140 microns inner diameter and with the geometrical arrangement described a coefficient of performance of only 7.9 cm " ^2. Even if the tubes are tightly packed together (square, tightly packed, that is, that all tubes are parallel to each other and each tube touches four other tubes ), only a maximum coefficient of performance of 255 cm ~ ^{2 can be} achieved.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der hohle Fasern dicht gepackt sind, lassen sich bei Verwendung hohler Fasern der nachstehend in Mikron angegebenen Größe die folgenden Leistungszahlen erreichen:In a device according to the invention in which hollow fibers are tightly packed, when used hollow fibers of the size given in microns below have the following figures of merit reach:

Table I.

4545

5050

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Kapillarfasern können aus jedem beliebigen thermoplastischen oder anderen organischen Polymerisat bestehen, das in einer hohlen Form herstellbar ist, z. B. nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 2 999 296 und der französischen Patentschrift 990 726. Die Wandungen dieser hohlen Fasern sind nicht porös, und da die Fasern einen sehr kleinen Durchmesser und zylindrische Form haben, können sie viel höhere Drücke aushalten als eine brauchbare Anordnung der bisher in Betracht gezogenen flachen Filme. Selbstverständlich ist das jeweilige Polymerisat auf Grund seiner speziellen Eignung für die gewünschte Abscheidung auszuwählen. Wie bekannt, haben organische Polymerisate im allgemeinen unterschiedliehe Durchdringungskoeffizienten für die verschiedenen diffundierenden Gase, und daher wird normalerweise erwartet, daß eine gewisse Trennung stattfindet,The capillary fibers used in the device according to the invention can be made from any desired thermoplastic or other organic polymer exist that can be produced in a hollow shape is e.g. B. according to the method of US Pat. No. 2,999,296 and French Pat. No. 990,726. The walls of these hollow fibers are not porous, and because the fibers have a very small diameter and cylindrical in shape, they can withstand much higher pressures than a useful arrangement of the previously considered flat films. Of course, the respective polymer is due according to its special suitability for the desired deposition. As is known, have organic Polymers in general different penetration coefficients for the different diffusing gases, and therefore it is normally expected that some separation will take place,

Äußerer
DurchmesserOuter
diameter WanddickeWall thickness Innerer
DurchmesserInner
diameter LeistungszahlPerformance figure 250
15
15
10250
15th
15th
10 18,5
5,0
3,5
2,018.5
5.0
3.5
2.0 213,0
5,0
8,0
6,0213.0
5.0
8.0
6.0 20 000
808 000
1 410 000
3 950 00020,000
808,000
1,410,000
3,950,000

wenn ein gegebenes Gemisch eine Sperrschicht durch_: dringt, die aus einem gegebenen organischen Polymerisat besteht. Um jedoch ein hohes Trennungsr vermögen zu erhalten, ist es notwendig, das Polymeric sat entsprechend der gewünschten Abscheidung zu wählen. Beispielsweise wurde gefunden, daß Polyf äthylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polyvinyliden₇ chlorid, Polyhexamethylenadipamid und Mischpolymerisate von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen für die Abscheidung von Wasserstoff und Helium von Methan geeignet sind, während PoIyäthylenterephthalat, Mischpolymerisate von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen, Polystyrol und Mischungen von Polystyrol mit Butadien-Styrol-Mischpolymerisaten sich zum Trennen von Sauerstoff und Stickstoff eignen.when a given mixture, a barrier layer _by: penetrates, which consists of a given organic polymer. However, in order to obtain a high separation capacity, it is necessary to choose the polymer based on the desired separation. For example, it has been found that polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyvinylidene ₇ chloride, polyhexamethylene adipamide and copolymers of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene are suitable for the separation of hydrogen and helium from methane, while polyethylene terephthalate, copolymers of tetrafluoro-styrene, and mixtures of tetrafluoro-styrene, and mixtures of polystyrene and hexafluoropropylene Styrene copolymers are suitable for separating oxygen and nitrogen.

Werden die hohlen Fasern für. ein Diffusionstrennverfahren verwendet, so können sie in Bündeln in einem Druckbehälter angeordnet werden, wie im einzelnen in der Zeichnung veranschaulicht ist, und zwar zeigtWill the hollow fibers for. Using a diffusion separation process, they can be bundled be arranged in a pressure vessel, as illustrated in detail in the drawing, and although shows

F i g. 1 einen Aufriß der Vorrichtung, teilweise im Schnitt, mit der besonderen Anordnung des Faserbündels in einem Druckbehälter undF i g. Figure 1 is an elevation of the device, partly in section, with the particular arrangement of the fiber bundle in a pressure vessel and

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Platte, in der die Bündel aus den hohlen Fasern gelagert sind, ,F i g. 2 is a plan view of the plate in which the bundles of hollow fibers are stored,

In der dargestellten Vorrichtung bezeichnet 1 einen Druckbehälter mit einem Hauptteil 2 und einem abnehmbaren DeckelteilS, der mittels Schrauben 4 an einem Flansch des Hauptteils befestigt ist. In einer Scheibe 5, die zwischen dem abnehmbaren Deckelteil 3 und dem Hauptteil 2 festgeklemmt ist, lassen sich die Bündel aus den hohlen Fasern 10 gasundurchlässig lagern, z. B. mit Hilfe von Epoxyharzen oder ähnlichen plastischen Materialien, die die sehr dünnen, hohlen Fasern dicht umschließen. Die hohlen Fasern können in Bündeln beliebiger Größe zusammengefaßt und dicht nebeneinander oder in beliebiger anderer Weise getrennt voneinander angebracht werden, ,wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Pflöcke 12 aus Epoxyharz, in denen die Fasern gelagert sind, und die Löcher in der Platte 5 vorzugsweise konisch ausgebildet, da das zu trennende Gasgemisch unter Druck in den Hauptteil des Druckbehälters eingeführt wird. Der Druckbehälter weist einen Einlaß 6 für das Gasgemisch, einen Auslaß 7 für das ausströmende Gas und einen Auslaß 8-für die Gase auf, die die Fasern durchdrungen haben. Die Platte 5, in der die hohlen Fasern befestigt sind, kann aus jedem geeigneten Material bestehen, das den angewendeten Drücken widersteht. Wie in F i g. 1 gezeigt, sind die Fasern in bei 11 umgebogenen Bündeln so angeordnet, daß die beiden Enden jeder Faser offen in die Kammer 9 ragen. Ebenso können .die Faserbündel auch aus geraden Fasern bestehen, deren untere Enden dann einzeln verschlossen sind oder in einem Kunststoffpflock eingebettet werden, der sie zusammenhält (vgl. hierzu insbesondere die britische Patentschrift 869 047 und den Artikel »Helium Separation and Purification by Diffusion«, veröffentlicht in »Bell Laboratories Record«, Bd. 36, S. 262 ff., Juli 1958), bei denen der schwebende Kopf aus einem Epoxy- oder anderen Harz besteht, das die Faserröhren an einem Ende verschließt.In the device shown, 1 denotes a pressure vessel with a main part 2 and a removable one Cover part S, which is attached by means of screws 4 is attached to a flange of the main part. In a disc 5 between the removable cover part 3 and the main part 2 is clamped, leave store the bundles of the hollow fibers 10 gas-impermeable, z. B. with the help of epoxy resins or similar plastic materials that tightly enclose the very thin, hollow fibers. The hollow fibers can be combined in bundles of any size and close together or in any other Way can be attached separately from one another, as can be seen from FIG. As shown in Fig. 1, are the pegs 12 made of epoxy resin in which the fibers are stored, and the holes in the plate 5, preferably conical, as the gas mixture to be separated enters the main part of the pressure vessel under pressure is introduced. The pressure vessel has an inlet 6 for the gas mixture, an outlet 7 for the outflowing gas and an outlet 8-for the gases which have penetrated the fibers. The plate 5, in which the hollow fibers are attached can be made of any suitable material that is used Resists pressing. As in Fig. 1, the fibers are in bundles bent at 11 arranged so that the two ends of each fiber protrude openly into the chamber 9. The Fiber bundles also consist of straight fibers, the lower ends of which are then individually closed or embedded in a plastic peg that holds them together (cf. in particular the British patent specification 869 047 and the article "Helium Separation and Purification by Diffusion", published in "Bell Laboratories Record", vol. 36, p. 262 ff., July 1958), in which the floating head consists of an epoxy or other resin that seals the fiber tubes at one end.

Die nachstehenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, wobei zu bemerken ist, daß verschiedene Änderungen und Ergänzungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Bei diesen Bei-The following examples serve to illustrate the invention, it being noted that that various changes and additions are possible within the scope of the invention. With these two

spielen werden die Bündel aus hohlen Fasern abdichtend in einen Druckbehälter eingesetzt, wie es in der beiliegenden Zeichnung gezeigt ist. Die zu trennenden Gase werden dann bei normaler Raumtemperatur in den Druckbehälter 1 gepumpt, in dem die hohlen Fasern angebracht sind, so daß die diffundierenden Gase durch die Wandungen der Fasern von außen in die Kapillarkanäle eindringen können, vonThe bundles of hollow fibers will play a sealing role inserted into a pressure vessel as shown in the accompanying drawing. The too separating gases are then pumped into the pressure vessel 1 at normal room temperature, in which the hollow fibers are attached so that the diffusing gases through the walls of the fibers of can penetrate outside into the capillary channels, from

wo sie durch den Auslaß» abgezogen werden. Das Gemisch aus den zu trennenden Gasen wird mit Überdruck in den Druckbehälter eingeführt, während das Gas, das die Wandungen der Kapillarröhren durchdringt, mit einem niedrigeren Druck abgezogen wird, wie in der Tabelle angegeben ist. Alle für die Trennung erforderlichen Bedingungen sind ebenfalls in der nachstehenden Tabelle II angegeben.where they are withdrawn through the outlet ». The mixture of the gases to be separated is with Positive pressure is introduced into the pressure vessel, while the gas penetrates the walls of the capillary tubes penetrates, is withdrawn at a lower pressure, as indicated in the table. All for them Separation conditions are also given in Table II below.

säendes
misch
Bsowing
mix
B. FasermaterialFiber material Abmessu
in Mik
Äußerer
Durch
messerDim
in mic
Outer
By
knife Tabelle ΠTable Π Eins
Ge
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(a)one
Ge
Schwin
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(a) trömende
%Apouring
% A s Gas
Druck
kg/cfn² s gas
pressure
kg / cfn ² Difftn
C
7.ADiff
C.
7.A. ldiertes
ras
Druck
kg/cm^a dated
ras
pressure
kg / cm ^a Aus
strö
mendes
Gas
%Athe end
strea
mendes
gas
% A Behälter
inhalt
m»container
contents
m » Zu tren
Gasge
ATo tren
Gasge
A. CH₄ CH ₄ Polyäthylen-
terephthalat Polyethylene
terephthalate 1515th algen
ron
Wand
dickealgae
ron
Wall
thickness 7979 2,02.0 4242 25,925.9 1,051.05 0,20.2 0,92 (d)0.92 (d) HeHey CH₄ CH ₄ Mischpolymerisat (b)Mixed polymer (b) 1515th 5,05.0 7979 2,02.0 4242 14,214.2 1,051.05 0,20.2 0,72 (d)0.72 (d) HeHey CH₄ CH ₄ Mischpolymerisat (b)Mixed polymer (b) 1515th 5,05.0 34553455 0,900.90 4242 7,397.39 1,051.05 0,120.12 2,02 (d)2.02 (d) HeHey CH₄ CH ₄ Mischpolymerisat (b)Mixed polymer (b) 6060 3,53.5 22942294 50,050.0 3535 75,375.3 4,24.2 9,99.9 0,24 (e)0.24 (e) H₂ H ₂ CH₄ CH ₄ Polyalkylen
terephthalat Polyalkylene
terephthalate 1515th 9,09.0 283283 30,030.0 24,524.5 68,268.2 1,051.05 5,05.0 9,06 (d)9.06 (d) CO₂ CO ₂ N₂ N ₂ Polyäthylen-
terephthalat .. ..Polyethylene
terephthalate .. .. 1515th 3,53.5 878878 21,021.0 1414th 37,037.0 1,051.05 3,93.9 0,82 (d)0.82 (d) o»O" N₂ N ₂ Mischpolymerisat (b)Mixed polymer (b) 1515th 3,53.5 878878 21,021.0 1414th •^ « JV
29,2• ^ «JV
29.2 1,051.05 6,86.8 0,37 (d)0.37 (d) O₂ O ₂ CH₄ CH ₄ Polyäthylen-
terephthälat Polyethylene
terephthalate 1515th 3,53.5 19341934 65,065.0 4242 99,599.5 1,051.05 18,218.2 2,30 (d)2.30 (d) HeHey N₂ N ₂ Polystyrol (c) Polystyrene (c) 2727 5,05.0 4,84.8 21,021.0 11,311.3 47,847.8 1,051.05 9,19.1 0,01 (f)0.01 (f) O₈ O ₈ 3,53.5

(a) In m^ä/h, gemessen bei 25° C und atmosphärischem Druck.(a) In m ^e / h, measured at 25 ° C and atmospheric pressure.

(B) Mischpolymerisat aus Tetrafluoräfhylen und Hexafluorpropylen gemäß USA.-Patentschrif12 946 763 vom 26. Juni 1960.(B) copolymer of Tetrafluoräfhylen and hexafluoropropylene according USA.-Patentschrif1 2,946,763 of June 26, 1960th

(c) Eine Mischung aus 60% Polystyrol und 40"Zo Mischpolymerisat aus 70% Butadien und 30% Styrol.(c) A mixture of 60% polystyrene and 40% copolymer of 70% butadiene and 30% styrene.

(d) Enthält 51830 m* Faseroberfläche je Kubikmeter des Druckbehälters.(d) Contains 51830 m * fiber surface per cubic meter of the pressure vessel.

(e) Enthalt 17 385 m* Faserobeffläche je Kubikmeter des Druckbehälters.(e) Contains 17 385 m * fiber surface per cubic meter of the pressure vessel.

(f) Enthält 33 787 m^s Faseroberfläche je Kubikmeter des Druckbehälters.(f) Contains 33 787 m ^s fiber surface per cubic meter of the pressure vessel.

Claims

Claim:

Device for separating gas mixtures with a pressure vessel and at least one Partition through which the container is hermetically divided into at least two sections, wherein in the dividing wall bundles of tightly packed, non-porous, gas-permeable fine tubes are kept gas-tight, of which at least one open end protrudes into the first section, while the remaining part of the tube protrudes into the second section, the cavity in the The tube is closed to the environment in this second section, which has an inlet and has an outlet for a pressurized gas to flow therethrough, and the first Section with an outlet for discharging the under - compared to the second section - lower pressure separated gas is provided, characterized in that that the tubes as hollow fibers made of a polymer organic material with an outer diameter of 10 to 250 microns that is 1.2 to 3 times their inner diameter is formed.

Considered publications:
French Patent No. 1 305 419;
British Patent No. 869 047;
U.S. Patent No. 2,961,062.

For this purpose 1 sheet of drawing space