DE2309315A1

DE2309315A1 - Einrichtung zum trennen von gasen

Info

Publication number: DE2309315A1
Application number: DE19732309315
Authority: DE
Inventors: Shoji Kimura; Masayoshi Ohno; Haruhiko Ohya
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1972-02-29
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1973-09-13
Also published as: JPS5112031B2; JPS4889174A; GB1386932A; US3909218A; DE2309315C2

Description

23. Februar 1973 71 858

Tokyo Shlbaura Electric Company Limited,

72, Horikawa-cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken/Japan

Einrichtung zum Trennen von Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf gastrennende bzw. gaszerlegende Einrichtungen und insbesondere auf eine Einrichtung zum Trennen eines Gemisches aus zwei oder mehr Gasen in ein selektiertes Gas oder in selektierte Gase und in das übrige Gas oder in die übrigen Gase. Die Erfindung verwendet Membranen, welche selektive Permeation für eines oder mehrere der Gase des Gemisches aufweisen·

Bei einem schnellen Brutreaktor, welcher flüssiges Natrium als Kühlmittel benutzt, wird das flüssige Natrium mit einem inerten Gas, beispielsweise Argon, überdeckt bzw. abgeschirmt, um Leckage von Spaltprodukten zu verhindern. Solche Spaltprodukte, beispielsweise radioaktives Xenon (Xe) und Krypton (Kr), werden während des Reaktorbetriebes erzeugt und mischen sich mit dem inerten, abschirmenden Gas.

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Wenn es gewünscht oder erforderlich ist, das abschirmende Gas zu ersetzen, müssen die Spaltgase vom inerten Gas getrennt werden, damit letzteres erneut verwendet werden kann; die abgetrennten Spaltgase werden dann in einem Reservoir so lange gespeichert, bis ihre Radioaktivität bis auf einen sicheren niedrigen Pegel reduziert worden ist.

Um die Spaltgase vom abschirmenden Gas zu trennen, ist vorgeschlagen worden, einen Holzkohlengasabsorber und ein unterkühltes Trennungssystem zu verwenden, unter Ausnutzung der Differenz der Verflüssigungstemperaturen der beteiligten Gase. Es ist jedoch notwendig, den Holzkohlen-Absorber, wenn er in Verbindung mit einem atomaren Leistungsreaktor verwendet wird, äußerst groß vorzusehen; die Folge ist, daß dieser kostspielig herzustellen ist» Ähnlich benötigt das unterkühlte Trennungssystem ein kompliziertes und kostspieliges Gefriersystem großen Ausmaßes.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Einrichtung zum Verwenden beim Trennen eines Gemisches aus zwei oder mehr Gasen in ein oder mehrere selektierte Gase und in das oder die übrigen Gase eine Kammer auf, welche einen Einlaß für die Zuführung des Gemisches nach dieser hin, ein erstes Membran-System und ein zweites Membran-System, welche dem Gemisch von Gasen in der Kammer ausgesetzt sind, sowie erste und zweite Mittel zum Sammeln von Gas auf, welches entsprechend durch das erste System und durch das zweite System hindurch dringt. Das erste Membran-System und das zweite Membran-System weisen entsprechend eine höhere und eine niedrigere Durchlässigkeit für das oder die selektierten Gase als für das oder die übrigen Gase des Gemisches auf.

Das selektierte Gas oder die selektierten Gase durchdringen daher bevorzugt das erste Membran-System und wird bzw. werden durch die ersten Mittel gesammelt_o Normalerweise durchdringt eine Quantität des übrigen Gases oder der übrigen Gase ebenfalls das erste Membran-System, jedoch in einem geringeren Ausmaß als das selektierte Gas oder die selektier-

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ten Gase. Entsprechend können sich eine oder mehrere weitere derartige Einrichtungen an die Einrichtung anschließen, welche in Kaskade angeordnet werden, um die Konzentration des selektierten Gases oder der selektierten Gase progressiv zu erhöhen und das übrige Gas oder die übrigen Gase auszuschließen·

Die Membran-Systerne können unterschiedliche Formen aufweisen· So können sie als flache Platten angeordnet werden, welche an einander gegenüberliegende Wände der Kammer stoßen, oder sie können aus konzentrischen Röhren bestehen, wobei das Gemisch von Gasen zwischen den zwei Membranen eingeführt wird und radial durch die Röhren hindurch dringt. Ferner kann jedes der Membran-Systeme eine Mehrzahl von kleinen rohrförmigen Membranen aufweisen, welche zumindest teilweise durch die Kammer hindurch verlaufen, wobei die rohrförmigen Membranen des ersten Systemes und des zweiten Systeme« in die ersten und zweiten Sammel-Mittel hinein führen und hindurchgedrungenes Gas nach diesen hin leiten.

Die Erfindung wird nunmehr durch nachfolgende Beschreibung verschiedener Formen der Gastrennungseinrichtung gemäß der Erfindung anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig· I eine vertikale Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Einrichtung, wobei es sich um einen Schnitt nach der Linie 1-1 der Fig. 2 handelt,

Fig· 2 eine Draufsicht der Gastrennungseinrichtung der Fig· 1, wobei die obere Abdeckplatte und die Membranen selbst der Deutlichkeit halber weggelassen sind,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines gastrennenden Systemes, welches eine Anzahl von Gas-Separatoren verwendet, die in Kaskade verbunden sind,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungs-

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form der gastrennenden Einrichtung,

Fig· 5 einen Schnitt durch eine der rohrförmigen Membranen, welche bei der Einrichtung der Fig. k verwendet werden, während

Fig· 6 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der gastrennenden Einrichtung erkennen läßt.

Auf die Fign. 1 und 2 der Zeichnung Bezug nehmend, weist die gastrennende Einrichtung, in Fig. 1 bei 10 allgemein angedeutet, ein Gehäuse 11 auf, welches durch ein Paar von Abdeckplatten 12, 13 gebildet wird. Eine Kammer lk ist innerhalb des Gehäuses durch einander gegenüberliegende Aussparungen 21, 22 in den Abdeckplatten 12, 13 vorgesehen. Ein divergierender Einlaßtrichter 15 und ein konvergierender Auslaßtrichter l6 sind in geeigneten Aussparungen in den Abdeckplatten 12, 13 lokalisiert und führen entsprechend in die Kammer lk hinein und aus dieser heraus. Jede Abdeckplatte 12, 13 weist ferner einen Schlitz 17, 18 auf, welche die Aussparungen 21, 22 umgeben und Dichtungen 19» 20 aufnehmen; diese Dichtungen erfassen die Trichter 15, l6, wo die Schlitze 17, l8 über oder unter diesen liegen, und liegen sonst gegeneinander, um die Einrichtung gegen Entweichen von Gas von der Kammer lk her abzudichten»

Die Gestalt der Abdeckplatte 13 ist in Fig. 2 deutlich zu erkennen, und zwar ist der Perimeter der Abdeckplatte 13 und der Aussparung 22 rechtwinklig. Die Abdeckplatten 12, 13 weisen ferner eine Mehrzahl von ausgerichteten Durchgangsbohrungen 23 in den peripheren Teilstücken auf, zur Aufnahme von Schraubenbolzen 24.

Jede der Aussparungen 21, 22 der Abdeckplatten 12, 13 ist mit einem Membran-System 25, 26 versehen, welches eine gasdurchlässige Membrane 27 oder 28 und einen Verstärkuriftsbauteil 29 oder 30 aufweist, an welchem die liembrane ange-

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bracht ist. Jedes Membran-System 25, 26 ist rechtwinklig, ist plan und paßt in seine entsprechende Aussparung 21, 22. Jeder Verstärkungsbauteil 29» 30 ist selbst porös, um den freien Durchtritt von Gas durch diesen hindurch zuzulassen, und ist auf der Seite, welche auf die Abdeckplatte 12 bzw« 13 gerichtet ist, mit einer Serie von Stützen 31 bzw. 32 versehen. Wenn die Membran-Systeme in ihren Aussparungen angebracht sind, stoßen die Stützen 31« 32 gegen die Flächen der Aussparungen und bilden somit Lücken 33« 3k zwischen den Verstärkungs- und den Abdeckbauteilen_o Diese Lücken erleichtern das Sammeln von Gas, welches durch die entsprechenden Membranen 27« 28 hindurch strömt.

Ein Rohr 15» welches in das freiliegende Ende des Einlaßtrichters 15 eingeschraubt wird, ermöglicht, daß ein Gemisch von Gasen in die Kammer Ik hinein von einem Reservoir 36 her, beispielsweise das Abgasreservoir eines schnellen Brutreaktors, eingelassen wird. Ein Gasmqnometer 37 ist in ähnlicher Weise mit dem freiliegenden Ende des Auslaßtrichters l6 über ein Rohr 38 verbunden, um den Druck des Gases in der Kammer lk zu messen. Ein Auslaßrohr 39 ist durch die obere Abdeckplatte 12 hindurch zentral angebracht und mündet nach den Lücken hin, welche zwischen dem oberen Membran-System 25 und der Abdeckplatte vorgesehen sind; das Rohr 39 führt nach einem Gaereservoir kO für eines der getrennten Gase. Ein ähnliches Rohr kl ist in ähnlicher Weise in der unteren Abdeckplatte 13 angebracht und führt nach einem Gasreservoir kz für das andere getrennte Gas.

Angenommen, das Gemisch von Gasen vom Reservoir 36 her besteht überwiegend aus zwei verschiedenen Gasen, welche voneinander getrennt werden sollen, dann wird das Material der Membrane 27 so gewählt, daß es für das erste Gas eine größere Durchlässigkeit als für das zweite Gas aufweist, während die Membrane 28 für das zweite Gas eine größere Durchlässigkeit als für das erste Gas aufweist. Daher besteht, wenn es sich bei den Gasen um Argon und Xenon handelt, die

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Membrane 27 aus Celluloseacetat, welches von Argon relativ leicht durchdrungen wird, aber nicht von Xenon, und die Membrane 28 besteht aus Silikongummi, welches leichte Permeation von Xenongas zuläßt, aber nicht von Argongas. Daher dringt, wenn die gemischten Gase in die Kammer I^ hinein geleitet werden, Argon bevorzugt durch die Membrane 27 hindurch und strömt durch den Verstarkungsbauteil 29 hindurch, welcher aus einem porösen keramischen Material besteht, um in das Reservoir kO auszuströmen, während das Xenongas bevorzugt durch die Membrane 28 und den Verstärkungsbauteil 30 hindurch dringt, welcher in der Ausführung dem Verstarkungsbauteil 29 ähnlich ist, und strömt in das Reservoir k2 hinein«·

Bei einem Beispiel besitzt der Film aus Celluloseacetat, welcher die Membrane 27 bildet, eine Dicke von 0,25 mm, während der Film aus Silikongummi, welcher die Membrane 28 bildet, eine Dicke von 0,21 mm besitzt. Der Druck des Gasgemisches, welches in die Kammer l4 eingelassen wird, wird

2
zwischen 5 und 20 kg/cm vorgesehen, wobei die Membranen 27t 28 in der Lage sind, diesem Druck ohne Zerreißen zu widerstehen, und zwar durch das Vorhandensein der Verstärkungsbauteile 29, 30.

Falls die Trennungseinrichtung eine einzelne aus Celluloseacetat bestehende Membrane zur Permeation von Argongas aufweisen würde, würde .lenongas in der Kammer lA zurückbleiben und würde den Gasdruck an der Membrane erhöhen; als Folge davon würde die Konzentration von Argon im Gasgemisch innerhalb der Kammer lk abnehmen. Andererseits dringen bei der dargestellten Anordnung, welche zwei Membranen aufweist, die Xenon- und Argongase separat durch die Membranen hindurch, und die relativen Konzentrationen der Gase innerhalb der Kammer ändern sich nicht wesentlich.

Die folgenden Tabellen zeigen die Resultate, welche mit verschiedenen Gasgemischen experimentell erzielt wurden, unter Verwendung der Einrichtung der Fign. 1 und 2. In

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jeder Tabelle stellt A eine aus Celluloseacetat hergestellte Membrane mit einer Dicke von 0,25 nun und einem Flächeninhalt von 12,4 cm dar, wobei die Membrane nach Wärmebehandlung bei 8O° C gefriergetrocknet wird, B stellt eine aus Celluloseacetat; hergestellte Membrane dar, welche eine Dicke von 0,25 Ό·» void einen Flächeninhalt von 12, 't cm aufweist, jedoch ohne Wärmebehandlung gefriergetrocknet, und C stellt eine aus Silikongummi hergestellte Membrane dar, die aus Dimethyl Siloxan und Zusatzstoffen besteht und eine Dicke von 0,21 mm

2 und einen Flächeninhalt von 12,4 cm aufweist.

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Tabelle 1 - Argon und Xenon

O CO OO

Speisegas-Kondition	Temp. (°C)	Speisegas- Komponenten	Xe	Von der Rohrleitung 39 her ' erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten	Xe	Gasströ mungs quantität cm³/Min.	Von der Rohrleitung 41 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (%)	Xe	Gasströ mung s- quantität cm⁵/Min.
Druck (atm)	25	Ar	4.5	Membrane	Ar	1.8	0,5	Membrane	Ar	9.2	2,0
20	25	95,5	4,5	A	98,2	1.9	1.1	C	?o,a	10,9	4,0
10	25	95.5	4.5	A	98,1	2,1	2,2	C	89,1	11.5	7,5
5	25	95.5	4,5	A		3,2	1,0	C	88,5	9,2	2,0
20	25	95.5	4.5	3	96,Σ	3,8	2,0	C	90.8	10,9	4,0
10	25	95.5	4,5	B	96,7	8,4	4,1	C	89,1	11,5	7,5
5		95.5		B	96, ί			C	88,5

Tabelle 2 - Helium und Argon

oo

Speisegas-Kondition	Temp.	apeiaegas- Komponenten	He	Von der Rohrleitung 39 her erhaltenes Gas	üas-Kom- ponenten	He	Gasströ mungs quantität ■z cm /Min.	Von der Rohrleitung 41 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (%)	He	Gasströ mungs quantität cm /Min.
Druck (atm)	25	Ar	13,0	Membrane	Ar	1,4	8,0	Membrane	Ar	21,3	1,63
5	25	87,0	13,0	A	98,6	1,8	16,0	C	78,7	18,9	3,05
10	25	07,0	13,0	A	98,2	1,8	30,0	C	81,1	17,6	5,60
20	25	87,0	70,0	A	98,2	60,0	8,5	C	82,4	72,2	2,08
5	25	80,0	70,0	A	40,0	56,0	7,0	C	27,8	73,3	4,00
10	25	80,0	70,0	A	44,0	43,0	14,0	C	26,7	73,6	7,50
20		80,0		A	57,0			C	26,4

00 O CO CO

Tabelle 3 - Argon. Xenon und Krypton

Speisegas-Kondition

Temp··

Speisegas-
Komponenten
Go)

Kr

Xe

Von der Rohrleitung 39
erhaltenes Gas

Gas-Kom
ponenten

Kr

Xe

her

Von der Rohrleitung 4l her
erhaltenes Gas

Gas-Kom
ponenten

Kr

Gasströ
mung s-
quantität
cm³/Min

Xe

Druck

25

Ar

3,0

2,5

Membr.

Ar

1.7

1.0

Gasströ
mung s -
quantitat
cm³/Min.

Membr,

Ar

5,0

10,0 8,8

(atm)

"94 j I

A

97,3

1,1

C

85.0

10

Tabelle 4 - Argon und Krypton

Speisegas-Kondition	Temp.	Speisegas- Komponenten (°/o)	Kr	Von der Rohrleitung 39 erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (°/o)	Kr	her	Von der Rohrleitung 41 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (%)	Kr	Gasströ mung s - quantitat cm'/Min.
Druck	<^ÜC)	Ar	2,0	Membr.	Ar	1,2	Gasströ mung s - quantitat cm /Min.	Membr,	Ar	3,4
(atm)	25	98",0	2,0	A	98,ö	1,1	0,5	C	96,6	3.6	1,8
5	25	9Q¹Io	2,0	A	98,9	0,9	1,2	C	96,4	4,0	3,9 (3,
10	25	9ö;o	A	99,1	2,3	C	96,0	8,0
20

Tabelle 5 - Helium und Sauerstoff

Speisegas-Kondition	Temp. (°C)	Speisegas- Komponenten (⁰A)	°2	Von der Rohrleitung 39 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (96)	°2	Gasströ mung s- quantität cm^/Min.	Von der Rohrleitung 41 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (%)	°2	Gasströ mung s- quantität
Druck (atm)	25	He	22,0 78,0	Membr.	He	60,6	1.6	Membr,	He	86,7	cm /Min.
10	A	3?_t4	C	13,3	4,o

CO O CO CO

Tabelle 6 - Helium und Methan

U)

CO 00 U) -4 -χ» O CD U)

Speisegas-Kondition	Temp.	Speisegas- Komponenten (Ji)	CH₄	Von der Rohrleitung 39 .her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten	CH₄	Gasströ mung s- quantität cm⁵/Min.	Von der Rohrleitung 4l her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten *(%)*	CH₄	Gasstrtr- mungs- quantität cm /Min.
Druck	25	He	67,0	Membr·	He	34,0	15	Membr.	He	85,0	7,0
(atm)	33,0	A	66,0	C	15,0
10 I

Tabelle 7 - Wasserstoff und Methan

O t

Speisegas-Kondition	Temp.	Speisegas- Komponenten	CH₄	Von der Rohrleitung 39 her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten	CH₄	Gasströ mung s- quantität "Z cm /Min.	Von der Rohrleitung kl her erhaltenes Gas	Gas-Kom ponenten (70)	CH₄	Gasströ mung s - quantitat ■x cm /Min.
Druck (atm)	25	^H2	74,0	Membr	^H2	52,0	l4,0	Membr.	^H2	80,0	8,0
10	26,0	A	48,0	C	20,0

CO O CD GO

tfie aus den voraufgeführten Tabellen eindeutig hervorgeht, weist die Gastrennungseinrichtung 10 der Fign<> 1 und eine höbe Gastrennungswirkung auf. Diese Wirkung kann durch Erhöhen des Speisegasdruckes weiter erhöht werden. Die Gastrennungswirkung kann ferner kontrolliert werden und durch eine Kontrolle der Temperatur des Speisegases und/oder der Gasperneation-Bauteilgruppen 25, 26 verbessert werden. Zu letzterem Zweck werden elektrische Heizvorrichtungen 43, 44 entsprechend an den Abdeckplatten 12, 13 angebracht, so daß die Gaspermeation-Bauteilgruppen 25, 26 unabhängig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden können.

Obgleich nur eine gastrennende Einrichtung 10 in Fig. dargestellt ist, kann eine Anzahl solcher Einrichtungen für die progressive Reinigung der getrennten Gase in Kaskade verbunden sein· Figo 3 zeigt ein solches System.

Das gastrennetie System der Fig. 3 ist dazu bestimmt, ein Gemisch aus drei gasförmigen Komponenten Λ, B und C in die entsprechenden Komponenten zu zerlegen. Das System besteht aus zwei Sätzen 45, 46, jeder aus fünf Einrichtungen der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung, wobei einer der Sätze aus den Einrichtungen 10, 1OA, 1OB, IOC und IOD besteht, während der andere aus den Einrichtungen 1OE, 1OF, 1OG, 1OH und 101 besteht. Die Materialien der Membranen der verschiedenen, individuellen, trennenden Einrichtungen sind gemäß den Gasen, die zu trennen sind, ausgewählt.

Das Gemisch der Gase A, B und C wird in die Kammer 14 der gastrennenden Einrichtung 10 hinein geleitet, wobei die Komponente Λ bevorzugt durch die Membrane 127 hindurch und die Komponenten B und C durch die Membrane 128 hindurch dringen. Das durch die Membrane 127 hindurch gedrungene Gas, welches geringe Anteile von Gas B und C enthält, wird in die Kammer der gastrennenden Einrichtung 10Λ geleitet, und das durch die Membrane 127 dieser Einrichtung hindurch gedrungene (ias, welches einen hohen Anteil des Gases Λ enthalt, wird danach nach der Kammer der Einrichtung 1013 hin geleitete

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Das Gas, welches durch die Membrane 127 der Einrichtung 1OB hindurch dringt, ist Gas A mit einer hohen Reinheit, d„h. mit relativ geringen Mengen der Gase B und C. Das Gas, welches durch die Membranen 128 der Einrichtungen 1OA und 1OB hindurch gedrungen ist, wird nach den Einlassen der vorherigen Stufen hin erneut in Umlauf versetzt.

Die Einrichtungen IOC, IOD sind in ähnlicher Weise wie 1OA, lOB angeordnet und vorgesehen, um eine progressive Reinigung der durch die Membrane 128 der Einrichtung 10 hindurch gedrungenen Gase zu erreichen, so daß das Gas, welches durch die Membrane 128 der Einrichtung IOD hindurch gedrungen ist, die Gase B und C, bei fast völligem Ausschluß des Gases A, enthält.

Der zweite Satz von gastrennenden Einrichtungen 1OE ist so angeordnet und vorgesehen, daß das Gemisch der Gase B, C von der Einrichtung IOD her in die individuellen Komponenten zerlegt wird, und zu diesem Zweck dringt, in jeder solchen Einrichtung, Gas B vorzugsweise durch die eine Membrane 129 hindurch, und Gas C dringt bevorzugt durch die andere Membrane 130 hindurch. Wie beim ersten Satz, sind die Einrichtungen 1OF, 1OG in Kaskade angeordnet, um das "vorherrschend B Gas" progressiv zu reinigen, welches durch die Membrane 129 der Einrichtung 1OE hindurch gedrungen ist, während das Gas, welches durch die Membrane 130 jeder Einrichtung 1OF, 1OG hindurch gedrungen ist, nach dem Einlaß der vorherigen Stufe hin erneut in Umlauf gebracht wird. Ähnlich sind die Einrichtungen 1OH, 101 in Kaskade verbunden, um eine progressive Reinigung des "vorherrschend C Gases" zu bewirken, welches durch die Membrane 130 der Einrichtung 1OE hindurch gedrungen ist, während das Gas, welches durch die Membrane 129 jeder Einrichtung hindurch gedrungen ist, nach dem Einlaß der vorherigen Stufe hin erneut in Umlauf versetzt wird. Folglich ist das Gas, welches aus der Membrane 129 der Einrichtung 1OG heraus geleitet wird, im wesentlichen reines Gas B, und das Gas, welches aus der Membrane 130 der Einrichtung IQI heraus geleitet wird, ist im wesentlichen reines Gas C.

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Bei der in den Fign. 4 und 5 dargestellten alternativen Ausführungsform einer Gastrennungseinrichtung 50 ist ein zylindrischer Bauteil 51 an dem einen Ende mit einer Endplatte 52 verschlossen und weist an dem anderen Ende einen Flansch 54 auf, welcher an einer zweiten Endplatte 53 befestigt ist, die eine Hülse 55 trägt„ Ein Stützbauteil 56 ist an die Hülse 55 geschweißt und trägt einen ersten Wandbauteil 57 und einen topfförmigen Abdeckbauteil 59t welcher einen Flansch 60 aufweist, der mit dem Stützbauteil 56 verschraubt wirdο Auf diese Weise werden erste und zweite Gassamme lkammer η 58» 6l vorgesehen, wobei die Kammer 58 durch die Endplatte 53, die Hülse 55, den Stützbauteil 56 und den Wandbauteil 57 gebildet wird und die zweite Kammer 6l durch die zwei Bauteile 57, 59 gebildet wird«

Ein zylindrischer Auskleidungsbauteil 63 ist im Bauteil 51 eingesetzt, und zwar ist das eine Ende an die Endplatte 53 geschweißt und das andere Ende durch eine perforierte Platte 64 geschlossene Eine Gaszuführungs-Rohrleitung

62 wird durch eine Öffnung im Bauteil 51 hindurch eingebracht und ist mit einer Öffnung 65 im Auskleidungsbauteil

63 ausgerichtet; das zu trennende Gasgemisch wird über die Rohrleitung 62 in den Einschluß hinein geleitet, welcher im Auskleidungsbauteil 63 gebildet ist, Perforationen 66, 67 und 68 sind entsprechend in der perforierten Platte 64, der Endplatte 53 und dem Wandbauteil 57 vorgesehen, wobei die Perforationen 66, 67 ausgerichtet sind und die Perforationen 68, welche in der Anzahl kleiner sind, mit selektierten Perforationen 67 ausgerichtet sind.

Ein erster Satz von hohlen, rohrförmigen, faserartigen Membranen 69 ist so angebracht, daß er sich durch den Einschluß zwischen den Platten 53 und 64 hindurch erstreckt. Eine zweite Gruppe ähnlicher, aber längerer Membranen 70 erstreckt sich von der Platte 66 her durch die Platte 53 hindurch und nach Wandbauteilen 57 hin und durch diese hindurch. Eine derartige Membrane 69 oder 70 ist vergrößert in Fig. dargestelltt und es ist zu erkennen, daß ein Ende durch irgend·

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ein geeignetes Abdichtungsverfahren, beispielsweise durch Schweißen, geschlossen ist. Das geschlossene Ende jedes Bauteiles wird angrenzend an die Platte 6k angeordnet, das andere Ende mündet im Fall der Membranen 69 nach der Kammer hin und im Fall der Membranen 70 nach der Kammer 6l hin. Jede Membrane 69* 70 weist beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm und eine Wanddicke von 0,25 nun auf₀ Die Membranen bestehen aus einem Material, welches gemäß den zu trennenden Gasen ausgewählt wird, wobei die Komponenten der Gasmischung durch die Wände der Membrane vorzugsweise durchgelassen werden und durch das hohle Innere hindurch nach den Kammern 58, 6l geleitet werden.

Jede hohle Membrane 69, 70 ist durch einen Kern 71 (Fig. 5) aus irgendeinem geeigneten Material verstärkt, welches den Durchtritt von Gas axial innerhalb der Mebrane zuläßt« Ein solches Material kann beispielsweise sein: Glas, Rockwool, Kupfer, Nickel, Titan, Aluminium und Legierungen davon, Hanf, Baumwolle, Seide, Wolle, Kunstharzfäden und keramisches Material. Der Kern 71 kann entweder aus Fasern oder Körnchen der voraufgeführten Materialien bestehen.

Falls das Gasgemisch aus Xenon und Argon besteht, werden die kürzeren hohlen Membranen 69 aus Silikongummi vorgesehen, welches vorzugsweise Xenongas durchläßt, während die längeren hohlen Membranen 70 aus Celluloseacetat vorgesehen werden, welches vorzugsweise Argon durchläßt. Das Gemisch von Gasen wird in die Kammer lk innerhalb des Auskleidungsbauteiles 63 durch die Rohrleitung 62 hindurch eingespeist« Das Xenongas dringt bevorzugt durch die Wände der Membrane 69 hindurch und wird durch die hohlen Membranen hindurch geleitet und wird in der Kammer 58 gesammelt. Das Xenpngas wird dann über ein Rohr 72 nach einem Gasreservoir (nicht dargestellt) hin geleitet. Ähnlich dringt Argongas bevorzugt durch die Wände der Membranen 70 und wird durch die Membranen selbst hindurch nach der Kammer 6l hin geleitet. Von dieser Kammer her strömt das Gas, das vorwiegend aus Argon besteht, durch die Leitung 73 hindurch nach einem

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- 15 zweiten Gasreservoir (nicht dargestellt) hin.

Das Gas, das nicht durch die Wände der Membranen 69, hindurch gedrungen ist, sammelt sich in einem Zwischenraum 74 zwischen den Platten 52, 64 und wird nach der Gasgemisch-Quelle hin rückgefördert, und zwar über eine Rohrleitung 75, welche an den Bauteil 51 angefügt ist. Ein weiteres Rohr 76 führt durch die Endplatte 52 hindurch und ist mit einem Druckmeßgerät (nicht dargestellt) verbunden, um den Gasdruck in der Kammer lk anzuzeigen· Bei der Einrichtung der Fig. k liefert die rohrförmige Form der Membranen 69, 70 einen großen Permeationsoberflächenbereich pro Volumeneinheit der Kammer 14; folglich wird eine hohe Rate durchgelassener Gasströmung bei einem gegebenen, gewünschten hohen Druck erreicht. Dies wiederum macht es möglich, eine große Gasströmung des Gemischgases zu behandeln. Der Kern oder Füllstoff 71» welcher jede der rohrförmigen Membranen 69» 70 ausfüllt, verhindert ungewollten Verschluß der Membranen, sollten sie umgebogen werden.

Bei der alternativen Einrichtung der Fig. 6 ist ein Paar von zylindrischen Membran-Bauteilgruppen 80, 8l in einem koaxialen, zylindrischen, äußeren Gehäuse 82 koaxial angeordnet, dessen Enden durch Abdeckplatten 83» 84 verschlossen sind. Die innere Bauteilgruppe 80 weist ein inneres, poröses, keramisches Rohr 85 und eine umgebende Membrane 86 auf· Ahnlich besteht die äußere Membran-Bauteilgruppe 8l aus einem äußeren, porösen, keramischen Rohr 87 und trägt an ihrer inneren Wand eine rohrförmige Membrane 88. Wie zuvor werden die Materialien der Membranen 86, 88 gemäß den zu trennenden Gasen ausgewählt.

Das Gasgemisch wird in den ringförmigen Raum 89 zwischen, den Bauteilgruppen 80, 8l durch ein Rohr 90 hindurch geleitet, welches durch die untere Abdeckplatte 84 hindurch angebracht ist» Wie ersichtlich, ist der Raum 84 auf seinen Seiten durch die rohrförmigen Membranen 86, 88 begrenzt, so daß eine Komponente des Gemisches radial durch die Membran-

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Bauteilgruppe 8o bevorzugt hindurchgelassen wird und in einer zentralen Kammer 91 gesammelt wird, welche über ein Rohr angeschlossen ist, das an der oberen Abdeckplatte 83 angebracht ist, mit einem ersten Gasreservoir (nicht dargestellt). Ähnlich dringt die andere Komponente radial durch die Membran-Bauteilgruppe 8l bevorzugt hindurch und wird in einer Kammer 93 gesammelt, welche zwischen jener Membran-Bauteilgruppe und dem Gehäuse 82 gebildet wird; das in der Kammer 93 angesammelte Gas strömt durch eine Rohrleitung 9k hindurch, welche in der Wand des Gehäuses 82 angebracht ist, nach einem zweiten Gasreservoir (nicht dargestellt) hin_e

Somit wird Gastrennung in einer Weise erreicht, die derjenigen der Fig. 1 ähnlich ist,, In Figo 6 stützen die keramischen Rohre 851 87 entsprechend die Membranen 86, 88 ab und verhindern den Ausfall jener Membranen unter dem Druck des Gases im Raum 89.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Anzahl von Gastrennungseinheiten ähnlich den in Figo 4, oder Figo 6, dargestellten in Kaskade verbunden werden können, in ähnlicher Weise, wie in Fig. 3 dargestellt, um progressive Reinigung der getrennten Komponenten eines Gemisches aus zwei, drei oder mehreren Komponentengasen zu erreichen.

Patentansprüche

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Claims

23. Februar 1973 - 17 - 71 858 Patentansprüche

1. Trennungsexnrichtung zur Verwendung beim Trennen eines Gemisches aus zwei oder mehr Gasen in ein selektiertes Gas oder in selektierte Gase und in das übrige Gas oder in die übrigen Gase, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammer (lk) mit einem Einlaß (15) für die Zuführung des Gemisches in diese, ein erstes Membran-System und ein zweites Membran-System, welches dem Gemisch von Gasen in der Kammer ausgesetzt ist, und erste und zweite Mittel zum Sammeln von Gas, welches entsprechend durch das erste System und durch das zweite System hindurch dringt, vorgesehen sind, und daß das erste Membran-System und das zweite Membran-System entsprechend eine höhere und eine niedrigere Durchlässigkeit für das selektierte Gas oder die selektierten Gase als für das übrige Gas oder die übrigen Gase des Gemisches aufweist«

2. Trennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Membran-Systeme einen porösen, keramischen Bauteil (29, 30) und eine filmartige Membrane (27, 28) aufweist, die an einer Oberfläche des keramischen Bauteiles, welcher die Membrane verstärkt, angebracht ist«

3. Trennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder keramische Bauteil (29, 30) aus einer flachen Platte besteht.

k, Trennungseinrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (lM als ein Hohlraum innerhalb eines Gehäuses vorgesehen ist und die Membran-Systeme an gegenüberliegenden Flächen des Hohlraumes angebracht sind·

5· Trennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Platte (29, 30) jedes Systemes

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gegen die Flächen des Hohlraumes an mit Abstand vorgesehenen Punkten (31» 32) anliegt, um einen Zwischenraum zwischen der Platte und dem Gehäuse zum Sammeln von durchgelassenem Gas zu bilden.

6. Trennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes System eine rohrförmige Membrane aufweist, wobei die zwei Membranen koaxial vorgesehen sind·

7β Trennungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Bauteile aus koaxialen Rohren bestehen, und daß die Membranen in ähnlicher Weise koaxial rohrförmig vorgesehen sind und an den keramischen Bauteilen so angebracht sind, daß sie einander gegenüber liegen, wobei die Kammer zwischen den Membranen vorgesehen ist.

8. Tx*ennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Membran-Systeme eine Mehrzahl von dünnen, . rohrförmigen Membranen aufweist, welche zumindest teilweise durch die Kammer hindurch verlaufen, wobei die rohrförmigen Membranen des ersten Systemes und dee zweiten Systemes in die ersten und zweiten Sammel-Mittel hinein führen und durchgelassenes Gas nach diesen hin leiten.

9· Trennungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede rohrförmige Membrane mit einem Verstärkungskern (71» Fig· 5) gefüllt ist, derart, daß das Gas durch das Innere der Membrane hindurch strömen kann·

10· Trennungseinrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kern (71, Figo 5) in Form eines Drahtes bzw. einer Ader vorgesehen ist.

11· Trennungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kern (71, Fig. 5) gekörnte Form aufweist.

12. Trennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,

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dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Membranen, des zweiten Systemes kürzer als diejenigen des ersten Systemes sind und nach einem ersten Hohlraum zum Sammeln des übrigen Gases oder der übrigen Gase hin münden, während die rohrförmigen Membranen des ersten Systemes durch diesen Hohlraum hindurch verlaufen und in einen zweiten, separaten Hohlraum zum Sammeln des selektierten Gases oder der selektierten Gase münden.

13· Gastrennungsanlage, bestehend aus einer Mehrzahl von Trennungseinrichtungen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch nach dem Einlaß einer ersten der Einrichtungen hin geliefert wird, und daß die ersten Sammel-Mittel der ersten und der anschließenden Einrichtungen, außer der letzten, mit dem Einlaß der nächsten Einrichtung verbunden sind.

Ik, Gastrennungsanlage nach Anspruch 131 dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Sammel-Mittel jeder Einrichtung, außer der ersten, mit dem Einlaß der vorherigen Einrichtung verbunden sind·

15· Gastrennungsanlage nach Anspruch lk, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Sammel-Mittel der ersten Einrichtung mit dem Einlaß einer weiteren Trennungseinrichtung verbunden sind, wobei die ersten Sammel-Mittel dieser weiteren Einrichtung mit dem Eingang der ersten Einrichtung verbunden sind·

l6. Gastrennungsanlage zum Zerlegen eines Gemisches aus drei Gasen in die individuellm Gase, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Satz von Einrichtungen, wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 beansprucht, vorgesehen ist, wobei die ersten und zweiten Membran-Systeme jeder dieser Einrichtungen entsprechend höhere und niedrigere Durchlässigkeit für ein erstes Gas der Gase als für die zweiten und dritten Gase aufweisen, Mittel zum Verbinden der Einrichtungen in Kaskade, um die zweiten und dritten Gase aus dem ersten Gas und das erste

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Gas aus den zweiten und dritten Gasen progressiv zu entfernen, und daß ein zweiter Satz solcher Einrichtungen vorgesehen ist, wobei in jeder von diesen die ersten und zweiten Membransysteme entsprechend höhere und niedrigere Durchlässigkeit für das zweite Gas als für das dritte Gas aufweisen, und daß diese zur progressiven Trennung des zweiten Gases vom dritten Gas in Kaskade verbunden sind, wobei das Gemisch der zweiten und dritten Gase vom ersten Satz her nach dem zweiten Satz hin gespeist wird.

17· Gastrennungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß diese im wesentlichen so angeordnet und vorgesehen ist, wie anhand der Zeichnung beschrieben.

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