DE202010010583U1

DE202010010583U1 - Apparatur zur elektromagnetischen Abtrennung niederenergetischer Komponenten aus einem Gasgemisch

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Publication number: DE202010010583U1
Application number: DE201020010583
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2020-07-24

Abstract

Apparatur zur Abscheidung von Komponenten aus einem Gasgemisch, dass aus Ionisierungseinheit am Kolonnenboden uns Abscheidungseinheit besteht. Der Gasfluss findet dabei von unten nach oben statt.

Description

Um Stoffe aus einem Gasgemisch abzutrennen sind verschiedene Techniken aktuell in Praxis. Besonders hervorzuheben sind hier die thermische sowie die chemische Trennung.
Bei der thermischen Trennung spielt der Phasenübergang von gasförmig zu flüssig eine entscheidende Rolle. Folglich beruht dieses Prinzip auf unterschiedlichen Siedetemperaturen. Da Gase im Allgemeinen jedoch eine sehr tiefe Siedetemperatur aufweisen (im kryogenen Bereich) ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich um diese zu erreichen. Dies geschieht zumeist über die Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts. Dieser besagt, dass komprimierte Gase bei einer Relaxation eine Temperaturänderung mit sich bringen. Somit sind diese Prozesse aus einem Wechselspiel von Kompression und Relaxation geprägt, was besonders bei der Kompression der sich im partiellen Vakuum befindlichen Gasgemische einen hohen Energieaufwand erfordert.
Die chemische Trennung basiert zumeist auf der Ab-/Adsorption. Hierbei wird ein Waschmittel in Kontakt mit dem Gasgemisch gebracht, welches abhängig vom Sorbenten bestimmte Stoffe aufnimmt. Diese Methode ist abhängig vom selektiven Sorptionsverhalten, so dass spezielle Sorbentien erforderlich sind. Ist der Sorbent einmal gesättigt, muss dieser regeneriert werden, um wieder verwendet zu werden. Dieser Regenerationsprozess erfordert zusätzliche Komponenten, z. B. eine Distilationskolonne, was wiederum die Investitionskosten und die Betriebskosten erhöht.
Die Idee dieser Erfindung, den Stofftrennungsprozess auf elektromagnetischen Eigenschaften aufzubauen, wird bereits in der Massenspektrometrie betrieben. Ihr primäres Ziel ist eine hoch genaue Bestimmung der Komponenten einer Probe. Zu diesem Zweck werden Massenspektrometer im partiellen Vakuum betrieben, um Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen weitestgehend auszuschließen. So wird eine mittlere freie Weglänge von 1 m angestrebt.
Der Transfer dieser Technik auf einen größeren Maßstab (größere Massenströme und höhere Drücke als das partielle Vakuum) ist dabei noch nicht gelungen. Zwar gab es Versuche hierzu, jedoch sind hierbei einige Eigenschaften der elektromagnetischen Kräfte außer Acht gelassen. So wurde beispielsweise nicht berücksichtigt, dass es sich um sehr schwache Kräfte handelt, so dass der Betrieb bei Atmosphärendruck und möglicher Turbulenz in der Strömung höchstwahrscheinlich scheitern würde.
Diese Erfindung beschreibt nun eine Apparatur, welche es ermöglicht niederenergetische Komponenten, das heißt Komponenten mit einer niedrigen Ionisierungsenergie, aus einem Gasgemisch auszufiltern. Der Aufbau ähnelt dabei einer Kolonne, da versucht wird, nach der Ionisierung im Boden, eine stufenweise Trennung herbeizuführen, so dass ein höchstmöglicher Abscheidegrad erreicht wird.
Generell ist der Aufbau in zwei Teile gegliedert, in den Ionisierungsbereich und in den Abscheidebereich.
Wie in 1 zu erkennen ist, besteht die Ionisierungseinheit aus dem Gaseinlass (1), dem Grundkörper, sprich der Kolonne (2), einem Gitterboden für den Magneten (5, 6) und der Ionenquelle (4). Nachdem passieren des Gaseinlasses erreicht das Gasgemisch die Ionenquelle.
Dabei handelt es sich um eine selektive Ionenquelle, das heißt, dass ihre Ionisierungsenergie eingestellt werden kann (über Elektronenstoßionisation) oder dass ihre Ionisierungsenergie prozessbedingt vorgegeben ist, aber eine spezielle Grenze einhält (Gasentladungslampen). Über diese Besonderheit kann erreicht werden, dass nur die Komponenten ionisiert werden, welche eine Ionisierungsenergie kleiner oder gleich der Ionisierungsenergie der Quelle haben. So sind also nur ausgewählte Komponenten für den späteren Abscheideprozess aktiviert.
Um nun der Tatsache Rechnung zu tragen, dass jede Ionenquelle eine begrenzte Eindringtiefe hat und dass bereits ioniserte Komponenten der Ioniseriung neuer Moleküle nicht im Wege stehen sollen, werden diese über einen speziellen Magneten vom Äußeren, dem Ionenquellen-nahem Bereich, weg geführt. Die Magnetkonstruktion besteht aus einer Kombination aus einem elektrischen Stabmagneten (6) und einer Leiterschleife (5). Der Stabmagnet ist dabei so geladen, dass er eine anziehende Wirkung auf die Ionen hat und die Leiterschleife eine abstoßende Wirkung. Beide Magnetfelder überlagern sich dabei und rufen aufgrund unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften ein spezielles Kräftegleichgewicht hervor, welches der der potentiellen Energie von Atomen in einem Molekül vergleichbar ist (es gibt einen Abstand mit minimaler Energie, der nicht singulär ist). Das Biot-Savart-Gesetz gibt Auskunft über die räumliche Ausbreitung von Magnetfeldlinien und stellt fest, dass die magnetische Feldstärke eines Stabmagneten mit 1/d abnimmt, wobei d der Abstand zum Stabmagneten ist. Die magnetische Feldstärke einer Leiterspule nimmt mit 1/d³ ab. Nun kann man die induktiven Ströme so festlegen, dass im Nahbereich der Magnetkonstruktion eine abstoßende Wirkung und über diesen Bereich hinaus eine anziehende Wirkung herrscht. Damit gelingt es Ionen zum inneren der Kolonne zu führen, diese jedoch nicht am Magneten haften zu lassen. Um den so entstandenen Dichteunterschied auszugleichen, wandern neutrale Moleküle an das Äußere der Kolonne, also zur Ionisationsfront. So und über das Verhältnis der Länge/Durchmesser des Ionisierungsbereichs wird versucht eine möglichst große Ionisierungswahrscheinlichkeit zu erreichen.
An den Bereich der Ionisierung schließt sich der Abscheidebereich an. In diesem findet der eigentliche Trennprozess statt. Der schematische Aufbau ist in 2 dargestellt. Aufgetragen sind der Kopf (15) mit zwei Gasauslässen (14, 16) und zwei volle Ebenen; angedeutet ist teilsweise eine Weitere um zu verdeutlichen, dass der Abscheidegrad einer Ebene über die Anzahl dieser bestimmt.
Nachdem in Frage kommende Moleküle ionisiert wurden, treten sie in den Abscheidebreich ein. Dieser ist durch einen zentralen Permamentmagneten (10), den Gasführungsvorrichtungen (7, 9, 11) sowie einem ringförmigen Permanentmagneten (8) gekennzeichnet. Am Kopf befinden sich zwei Gasauslässe, welche entweder das gereinigte Gasgemisch (14) oder die Verunreinigungen (16) abführen.
Der Abscheidmechanismus spielt sich an dem ringförmigen Magneten am Kolonnenrand ab. Bei einem Gasstrom, der von unten nach oben erfolgt, werden Ionen von dem ringförmigen Magneten abgelenkt und in den Abgaskanal (12) gelenkt. Im Hauptleitkanal (13) befindet sich ein gereinigtes Gasgemisch. Um diesen Vorgang zu forcieren und um zu jeder Zeit die größtmögliche Menge an Ionen am Kolonnen-Äußeren zu haben, ist ein abstoßender Permanentmagnet in der Kolonnenachse angeordnet. Dieser übt eine Kraft auf die Ionen aus, die radial nach außen gerichtet ist. Somit reichern sich im Inneren ungeladene Moleküle an. Mit jeder Trennstufe verringert sich der Grad an Verunreinigungen, so dass am Ende des Prozesses über die Außenbereiche die Verunreinigungen und der Rest des Gasgemisches über das Kolonneninnere abgesogen werden kann.
Der entscheidende Vorteil dieser neuen Apparatur ist nun eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs bei geeigneten Gasgemischen.

Claims

Apparatur zur Abscheidung von Komponenten aus einem Gasgemisch, dass aus Ionisierungseinheit am Kolonnenboden uns Abscheidungseinheit besteht. Der Gasfluss findet dabei von unten nach oben statt.
Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ist, dass Ionisierungsquellen (4) verwendet werden, die eine selektive Ionisierung ermöglichen.
Apparatur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bereits ionisierte Moleküle über eine spezielle Magnetkonstruktion von der Ionisierungsfront weggeführt werden. Diese spezielle Magnetkonstruktion besteht aus einer Kombination aus einem elektrischen Stabmagneten (6) und einer elektrischen Leiterspule (5). Beide Komponenten sind dabei konzentrisch angeordnet.
Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ionen einem Gasgemisch über zwei Magneten (8, 10) in einen außen liegenden Abgaskanal (12) entzogen werden.
Apparatur nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass über einen in der Kolonnenachse befindlichen abstoßenden Magneten (10) und über Umlenkmagneten (8) an der Grenze zum Abgaskanal Ionen abgelenkt werden.
Apparatur nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass neutrale und ionisierte Moleküle getrennt am Kopf (14, 16) abgeführt werden.
Apparatur nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsbleche (7, 9, 11) das Zurückströmen von Verunreinigungen in den Hauptleitkanal (13) verhindern.