DE2528868A1

DE2528868A1 - Gasgemischseparator

Info

Publication number: DE2528868A1
Application number: DE19752528868
Authority: DE
Inventors: Makoto Moriya
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-06-29
Filing date: 1975-06-27
Publication date: 1976-01-08
Also published as: GB1510677A; FR2276078A1; DE2528868C2; FR2276078B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgemischseparator, insbesondere einen solchen, mit dessen Hilfe die Bestandteile eines Gasgemisches mittels zweier Arten von Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen effektiv voneinander getrennt werden können.

Das Kühlmittel eines sog. Schnellen Brüterrealetors besteht im allgemeinen aus flüssigem Natrium. Dieser Reaktor ist dabei von Argongas als Dichtmittel umschlossen, um eine Oxydation des flüssigen Natriums zu verhindern. Die aus dem Nuklearoder Kernbrennstoff im Betrieb des Kernreaktors anfallenden Spaltprodukte enthalten, radioaktive Gase, wie Xenon und Krypton. Diese radioaktiven Gase vermischen sich dabei mit dem
als Dichtmittel dienenden Argongas und werden in Form eines gasförmigen radioaktiven Abfallprodukts abgeführt. Wenn das verbrauchte Argondichtgas durch neues Gas ersetzt wird, muß das radioaktive Xenon oder Krypton vom Argondichtgas abgetrennt werden, um es für die V/iederbenutzung zu reinigen, während das abgetrennte radioaktive Xenon oder Krypton speziellen Verwendungszwecken zugeführt xvird oder die radioaktiven Gase aufbewahrt werden, bis ihre Radioaktivität auf einen sicheren
Wert abgeklungen ist.

Hz/Bl/ro -

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ORIGINAL ?NSf rS

Die bekannten Vorrichtungen zum Abtrennen von Bestandteilen eines Gasgemisches, wie sie für die Rückgewinnung eines radioaktiven verdünnten (dilute) Gases, wie Xenon oder Krypton eingesetzt werden, arbeiten nach dem Prinzip der Extraktion durch Kohlenwasserstoffe oder Chlorfluormethane, der Adsorption auf Holzkohle, der Abtrennung durch kryogene bzw. Kältedestillation und der Abtrennung durch Hembranen. Bei allen Vorrichtungen, mit Ausnahme der nach dem Membranverfahren arbeitenden, sind dabei jedoch Kühlvorgänge erforderlich. Aus diesem Grund wird die nach dem Membranverfahren arbeitende Vorrichtung bevorzugt, die keiner Kühlung bedarf. Die Bauvorschriften für eine nach dem Membranverfahren arbeitende Gastrennvorrichtung werden unter Berücksichtigung z.B. der Kapazität oder Leistung der Vorrichtung, der Oberfläche der Membran (en) und der Zahl der in Kaskade geschalteten Einheiten entsprechend den Eigenschaften der Membran(en), beispielsweise ihrer Gasdurchlässigkeit, bestimmt. Dem bisher eingesetzten Gasgemischseparator haftet der Nachteil an, daß eine sehr sperrige Membran verwendet werden muß.

Pig. 1 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Membrangasgemischseparators mit sieben in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten, die mit Gastrennmembranen M1 bis M7 versehen sind. Die die Zellen verbindenden Rohrleitungen H1 bis HI3 sind mit Kompressoren C1 bis CJ und Strömungsregelventilen, Absperrschiebern und zusätzlichen Rohrleitungen versehen, von denen letztere jedoch nicht näher dargestellt sind. Nach der Verdichtung durch einen Kompressor C4 wird ein binäres bzw. Zweikomponenten-Gasgemisch X-Y, wobei die eine Komponente mit X und die andere mit Y bezeichnet ist, z.B. in die vierte Zelleneinheit A4 eingeleitet, deren Membran m4 das Gemisch X-Y in einen Teil Y(X-n) mit einem hohen Gehalt an der Komponente Y und einen Teil X(Y-n) mit einem hohen Gehalt an der Komponente X auftrennt. Der durch die Membran M4 hindurchgedrungene, Y-reiche Teil Y(X-n) wird über eine Leitung H1 in die

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fünfte Zelle A5 eingeleitet, nachdem er während seiner Förderung durch einen Kompressor C5 verdichtet wurde. Der durch die Membran M5 der fünften Zelle A5 hindurchdiffundierte und dabei stärker mit der Komponente Y angereicherte Gasanteil Y(X-n') wird über eine Leitung H2 zur sechsten Zelle A 6 geführt, nachdem er während seiner Förderung durch einen Kompressor C6 verdichtet wurde. Auf ähnliche V/eise wird der Gasanteil Y(X-n^M), welcher die Membran Μβ der sechsten Zelle C6 durchdrungen und dadurch einen noch höheren Gehalt an der Komponente Y erhalten hat, über eine Leitung H^ in die siebente Zelle A7 eingeführt, nachdem er während seiner Förderung durch einen Kompressor CJ verdichtet wurde. Schließlich wird der durch die Membran M7 der siebenten Zelle A7 hindurchgetretene Gasanteil als reine Y-Komponente rückgewonnen.

Andererseits wird ein verdünnter Anteil X(Y-n"^!) des Gasgenisches X-Y, der aus der fünften Zelle A5 austtitt, ohne durch deren Membran M5 hindurchgetreten zu sein, über eine Leitung E^ zum vierten Kompressor C4 geführt. Ein ähnlicher verdünnter Gasanteil X(Y-n") wird über eine Leitung H5 zum fünften Kompressor C5 geleitet. Ein weiterer verdünnter Gasanteil X(Y-n'), der von der siebenten Zelle A7 geliefert wird, strömt über eine Leitung Ηβ zum sechsten Kompressor C6. Auf ähnliche Weise strömt der aus der vierten Zelle A^- austretende verdünnte Gasanteil X(Y-n) über eine Leitung H7 zum dritten Kompressor Cj5· Ein konzentrierter Gasanteil Y(X-n^IM), der aus der dritten Zelle A 3 ausgetragen wurde, wird über eine Leitung h8 zum vierten Kompressor C4 geleitet. Ein aus der dritten Zelle Aj5 austretender verdünnter Gasanteil X(Y-n') wird über eine Leitung H9 und den zweiten Kompressor C2 wieder in die zweite Zelle A2 eingeleitet. Ein konzentrierter Gasanteil Y(X-n"), welcher die Membran M2 der zweiten Zelle A2 durchströmt hat, wird über eine Leitung H10 zum dritten Kompressor C3 geführt. Ein aus der zweiten Zelle A2 ausgetragener verdünnter Gasanteil X(Y-n") wird

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über eine Leitung H11 und den ersten Kompressor C1 erneut in die erste Zelle A1 eingeleitet. Ein durch die Membran M1 der ersten Zelle A1 hindurchgetretener konzentrierter Gasanteil Y(X-n') strömt über eine Leitung H12 zum zweiten Kompressor C2. Ein verdünntes Gas X(Y-n"^!) wird über eine Leitung H1;5 als reine Gaskomponente rückgewonnen.

Beim herkömmlichen Gasgemischseparator, dessen Zellen jeweils eine einzige Membran verwenden, wird jedoch die eine Komponente eines Gasgemisches fortlaufend konzentriert, bevor sie den betreffenden Membranen M1 bis M7 zugeführt wird, was eine entsprechende Verringerung der Gastrennfänigkeit zur Folge hat. Außerdem wird dabei die Membran durch den Gasdruck beschädigt, so daß sie ihr stabiles Gastrennvermögen nicht über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhalten kann. Zur Gewährleistung eines höheren Gastrennwirkungsgrads wäre es daher notwendig, eine größere und sperrigere Membran oder eine größere Zahl von Zelleneinheiten und mithin auch von Anschlüssen zu verwenden, so daß der Gasgemischseparator schließlich unzulässig sperrig werden würde.

Zur Ausschaltung der diesem bekannten Gasgemischseparator anhaftenden Nachteile wurde bereits ein anderer Gasgemischseparator vorgeschlagen, der eine Anzahl von in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten aufweist. Der Wirkungsgrad eines Gasgemischseparators unter Verwendung von zwei Membranarten mit unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit wird im allgemeinen durch die synergetische Wirkung der beiden Membranen bestimmt. Ein solcher Separator in Form einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten mit je zwei Membranarten von wesentlich unterschiedlichem Gastrennvermögen, bei dem die abgetrennten Anteile des Gasgemisches nacheinander in die einander benachbarten Zellen eingeleitet werden, besitzt jedoch die Eigenart, daß seine Eigenschaften durch die niedrigere Gasdurchlässigkeit der einen seiner beiden Membranen bestimmt werden,, Dieser Nach-

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teil wird dem Umstand zugeschrieben, daß sich die abgetrennten Gasanteile, diein unterschiedlichen Konzentrationen aus den in Kaskade geschalteten Zellen abgezogen werden, am Konvergenzpunkt eines Konzentrationskanals und eines Verdünnungskanals miteinander vermischen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen hochwirksamen Gasgemischseparator zu schaffen, der eine Anzahl von in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten mit jeweils zwei verschiedenen Membranen unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit aufweist, wobei die Zelleneinheiten die Komponenten eines Gasgemisches entsprechend den charakteristischen Eigenschaften der beiden Membranarten selektiv zu trennen vermögen und wobei weiterhin Verbindungsrohre oder -leitungen vorgesehen sind, über welche ein abgetrennter, nach dem Durchdringen der betreffenden Membranen aus den Zelleneinheiten abgezogener Gasanteil in fortschreitend konzentrierter Form in Aufwärtsrichtung fortschreitend zu den höheren, anschließenden Zellen geleitet wird, während ein anderer abgetrennter Gasanteil, der ohne Durchtritt durch die betreffenden Membranen aus den Zelleneinheiten abgezogen wird, in fortschreitend verdünnter Form in Abwärtsrichtung nacheinander zu den unteren, anschließenden Zellen geleitet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasgemischseparator der vorstehend umrissenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Verbindungsrohrleitungen vorgesehen sind, um den Unterschied zwischen der Konzentration eines abgetrennten, über die entsprechenden Konzentrationskanäle oder -leitungen in die betreffenden Zelleneinheiten einströmenden Gasanteils und derjenigen eines anderen abgetrennten, über die entsprechenden Verdünnungskanäle bzw. -leitungen in die Zelleneinheiten eingeleiteten Gasanteils zu verringern„

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Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht dabei darin, daß die Verbindungsrohrleitungen zur Verminderung des Unterschieds zwischen den Konzentrationen der über die jeweiligen Konzentrations- und Verdünnungsleitungen in die Zelleneinheiten einströmenden Gasanteile Umgehungsleitungen zur Rückführung eines abgetrennten Gasanteils, der durch diejenige der beiden in einer Zelleneinheit angeordneten Membranen mit unterschiedlichen Gastrennvermögen hindurchdiffundiert ist, welche das niedrigere Gastrennvermögen besitzt, zu dem für die Zufuhr eines zu trennenden Gasgemisches dienenden Speiser der betreffenden Zelleneinheit sind.

In weiterer Ausgestaltung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß die VerbindungSOhrleitungen zur Verminderung des Unterschieds zwischen den Konzentrationen der über die jeweiligen Konzentrations- und Verdünnungsleitungen in die Zelleneinheiten einströmenden Gasanteile Umgehungsleitungen sind, die einen abgetrennten Gasanteil, welcher durch die eine höhere Gasdurchlässigkeit besitzende Membran der beiden Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen in einer vorgegebenen Zelleneinheit hindurchdiffundiert ist, der Reihe nach den Speisern für ein zu trennendes Gasgemisch zuführen, die jeder zweiten oder zumindest jeder dritten Zelleneinheit zugeordnet sind," anstatt den Gasanteil jeder unmittelbar nachgeschalteten Zelleneinheit zuzuführen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließdiagramm der Kaskadenanordnung bei einem

Membrangasgemischseparator gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine AusfUhrungsform einer Zelleneinheit bei einem Gasgemischseparator gemäß der Erfindung,

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- 7 -Pig. 3 eine Aufsicht auf die Zelleneinheit von Fig. 2,

Fig. 4 ein Fließdiagramm der Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten bei einem Gasgemischseparator gernäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Fließdiagramm der Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten bei einem Gasgemischseparator gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer Zelleneinheit zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Gasgemischseparator.

Nachstehend sind anhand von Fig. 2 bis 5 spezielle AusfUhrungsformen der Erfindung beschrieben.

Gemäß Fig. 2 weist eine allgemein mit 10-4 bezeichnete Zelleneinheit ein Gehäuse 11 aus zwei Dichtplatten 12, 13 auf. Das Gehäuse 11 ist mit einer Kammer 14 versehen, in welche ein Gasgemisch zur Auftrennung eingeführt wird. In den Endabschnitten der Kammer 11 sind einmal eine Gaszufuhr 15 und zum anderen ein mit einem Manometer 37 versehener Zylinder 16 angeordnet. Die Kammer 14 wird dabei durch in den Dichtplatten 12, 13 vorgesehene Hohlräume 21 bzw. 22 festgelegt. Die Dichtplatten 12, 13 besitzen gemäß der Aufsicht von Fig. 3 eine rechteckige Form, und sie sind an der einen Seite offen. In Fig. 3 ist nur die untere Dichtplatte 13 dargestellt, während die obere Dichtplatte 12 abgenommen ist. Die den Teilen von Fig. 2 entsprechenden Teile gemäß Fig. 3 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Dichtplatten 12, 13 weisen rechteckige Hohlräume oder Ausnehmungen 21 bzw. 22 auf, um die herum rechteckige Nuten 17 bzw. 18 ausgebildet sind, in welche Dichtungen

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19 bzw. 20 zur gasdichten Abdichtung der Kammer eingesetzt sind« Die Dichtplatten 12, 13 sind mit mehreren Bohrungen 23 versehen, so daß sie mit Hilfe von Schraubbolzen 24 gasdicht gegeneinander verspannt werden können·

In die Ausnehmungen 21, 22 der Dichtplatten 12 bzw, 13 sind gasdurchlässige Membranen 25 bzw«, 26 eingesetzt, die aus dünnen Membranlagen 27 bzw. 28 mit selektiver Gasdurchlässigkeit bestehen und durch poröse Stützmaterialien oder -lagen 29 bzw. 30 versteift sind,, Die durch die Membranen 25* 26 hindurchdiffundierten, abgetrennten Gasanteile durchströmen durch Ansätze 31 bzw. 32 festgelegte Spalte bzw. Zwischenräume 33, 34 sowie Rohrstutzen 39* 41, die sich durch die Mittelteile der Dichtplatten 12, I3 zu den Membranen 25, 26 erstrecken, so daß diese Gasanteile zu den unmittelbar über bzw. unter der Zelleneinheit 10-4 befindlichen Zelleneinheiten 10-5 bzw. 10-3 geleitet werden«

In den Endabschnitt der Gaszufuhr 15 ist ein Rohrstutzen 35 eingeschraubt, der mit einem Vorrat 36 für das zu trennende Gasgemisch, z.B_o mit einem Vorratsbehälter für das Dichtgas, eines sog. Schnellen Brüters, verbunden ist« In den Endabschnitt des Zylinders 16 ist ein Rohrstutzen 38 eingeschraubt, der mit einem Manometer 37 zur Messung des innerhalb der Kammer 14 herrschenden Drucks verbunden ist.

Im folgenden ist nunmehr das Verfahren zum Trennen der Bestandteile bzw. Komponenten eines Gasgemisches, z.B. aus Argon und Xenon, beschrieben. In diesem Fall sei angenommen, daß die eine Membran 27 der beiden in jeder Zelleneinheit vorgesehenen Membranarten r..it unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit aus Silikongummi besteht, während die andere Membran 28 aus Zelluloseacetat besteht. Letztere besitzt die Eigenschaft, daß sie für Argon sehr durchlässig, für Xenon dagegen nahezu undurchlässig

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ist. Andererseits ist die Silikongummimembran für Xenon stark durchlässig, für Argon dagegen nahezu undurchlässig. Dies bedeutet, daß keine dieser Membranen für eines der beiden Gase vollkommen undurchlässig ist, sondern eine geringfügige Durchlässigkeit dafür besitzt; d.h., sie besitzt einfach eine erheblich geringere Durchlässigkeit für das eine Gas.

Das Argon in einem Argon-Xenon-Gasgemisch, das vom Gasgemischvorrat 36 in die Kammer 14 eingeleitet wird, strömt über die Zelluloseacetatmembran 28, ein poröses keramisches Auskleidungsmaterial 30, den Spalt 34 und den Rohrstutzen 41 in die untere Zelleneinheit 10-3. Das Xenon tritt dagegen über die Silikongummimembran 27, ein poröses Keramik-Auskleidungsmaterial 29, den Spalt 33 und den Rohrstutzen 39 in die obere Zelleneinheit 10-5 ein_o Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde die Zelluloseacetatmembran mit einer Dicke von 0,25 mm und die Silikongummimembran mit einer Dicke von 0,21 mm gewählt. Die Dicke jeder Membran kann jedoch in Abhängigkeit von den Bedingungen des betreffenden Gasgemisches, beispielsweise von der Art der Gasbestandteile, dem Verhältnis, in welchem diese Bestandteile miteinander vermischt sind, und der Temperatur, mit welcher das Gemisch zur betreffenden Zelleneinheit zugeführt wird, frei gewählt werden. Der durch das einströmende Gasgemisch in der Kammer erzeugte Druckanstieg wird im allgemeinen auf 5-20 kg/cm festgelegt. Die durch die Auskleidungsmaterialien 29, 30 versteiften Membranen 27 bzw. 28 sind jedoch auch unter solch hohen Drücken vor Beschädigung geschützt. Eine Kaskadenanordnung aus einer Anzahl der vorher beschriebenen Zelleneinheiten vermag tatsächlich die Komponenten eines Gasgemisches mit hohem Reinheitsgrad voneinander zu trennen. Bei einem derartigen Gasgemischseparator bewirken jedoch die beiden verschiedenen Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen, daß der über

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den Konzentrationskanal in die betreffenden Zelleneinheiten eingeführte, abgetrennte Gasanteil und der andere, über den Verdünnungskanal in diese Zelleneinheiten eingeführte, abgetrennte Gasanteil unterschiedliche Konzentrationen besitzen. Da diese beiden abgetrennten Gasanteile mit diesen erheblich unterschiedlichen Konzentrationen in vermischtem Zustand in die Zelleneinheit einströmen, wird das Trennvermögen eines Gasgemischseparators bezüglich einer bestimmten Gaskomponente selbstverständlich durch die Eigenschaft derjenigen der beiden Membranen bestimmt, welche das niedrigere Trennvermögen gegenüber dem Gas besitzt. Zur Ausschaltung der genannten Mangel weist der erfindungsgemäße Gasgemischseparator gemäß den Fig. 4 und 5 zusätzliche Verbindungsrohre bzw. -leitungen auf, so daß der Konzentrationsunterschied zwischen den beiden abgetrennten Gasanteilen,die über die betreffenden Konzentrationskanäle bzw. über die Verdünnungskanale in die jeweiligen Zelleneinheiten eingeführt werden, weitgehend vermindert wird.

Im folgenden ist nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 4 beschrieben, die ein Fließdiagramm eines Gasgemischseparators in Form von sieben in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten 10-1 bis 10-7 zeigt, die jeweils den vorher in Verbindung mit der Zelleneinheit 10-4 beschriebenen Aufbau besitzen. Die den einzelnen, fortlaufend von unten nach oben numerierten Zelleneinheiten 10-1 bis 10-7 zugeordneten Teile sind mit Bezugsziffern bezeichnet, an welche die gleichen Zusatzziffern angehängt sind wie bei den die Zelleneinheiten bezeichnenden Bezugsziffern. Die fünfte bis siebente Zelleneinheit einschließlich ihrer zugeordneten Teile werden gemeinsam als Konzentrationssystem bezeichnet, während die erste bis dritte Zelleneinheit nebst zugeordneten Teilen gemeinsam als Verdünnungssystem angesehen werden« Die Bezugsziffern C-1 bis C-7 bezeichnen Kompressoren, die

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den betreffenden Zelleneinheiten 10-1 bis 10-7 zugeordnet sind.. Die aisgezogene Linie 27 in den Kammern 14-1 bis 14-7 stellt eine Silikongummimembran dar, während die entsprechende gestrichelte Linie 28 die jeweilige Zelluloseacetatmembran bezeichnet.

Ein zu trennendes, vom Gasgemischvorrat 36 zugeführtes Gasgemisch strömt über eine Rohrleitung 50, um durch einen Kompressor C-4 verdichtet zu werden. Nach der Einstellung eines zweckmäßigen Drucks durch ein nicht dargestelltes Druckregelventil strömt das verdichtete Gasgemisch in die Kammer 14-4 der Zelleneinheit 10-4. Die Komponenten des Gasgemisches durchdringen die Silikongummimembran 27 sowie die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-4 mit einer durch die Gasdurchlässigkeitscharakteristik dieser Membranen 27, 28 bestimmten Strömungsgeschwindigkeit, wobei diese Komponenten in einen konzentrierten Gasanteil und in einen verdünnten Gasanteil aufgetrennt werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird der durch die Silikongummimembran 27 hindurchtretende Gasanteil eines vorgegebenen Gasgemisches als "konzentrierter Gasanteil" und der durch die Zelluloseacetatmembran 28 hindurchtretende Anteil als "verdünnter Gasanteil" bezeichnet. Je nach der Art des Gasgemisches kann diese Bezeichnungsweise aber auch umgekehrt werden.

Die Zelleneinheiten 10-1 bis 10-7 sowie die Rohrleitungen von Verteilern B-1 bis B-8 sind erforderlichenfalls mit Meßdrucksignalgebern, Strömungsmengenmeßsignalgebern usw. (nicht dargestellt) versehen.

Ein konzentrierter Gasanteil durchströmt eine Rohrleitung 39a zur weiteren Verdichtung durch einen fünften Kompressor C-5, und dieser Gasanteil wird nach der Druckregelung durch ein Druckregelventil in die Kammer 14-5 der fünften Zellen-

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einheit 10-5 eingeführt. Der verdünnte Gasanteil strömt dagegen über eine Rohrleitung 41 zur Einlaßseite des Verteilers B-4, der mit zwei Auslaßleitungen versehen ist. Die eine dieser Auslaßleitungen ist eine Umgehungsleitung 42a zur Rückführung des verdünnten Gasanteils zum Kompressor C-4 der vorhergehenden vierten Zelleneinheit 10-4 über eine Leitung 42a-4o Die andere der beiden Auslaßleitungen ist eine Umgehungsleitung 42b zur Zufuhr des verdünnten Gasanteils zum Kompressor C-3 der dritten Zelleneinheit 10-3 über eine Rohrleitung 42b-4. Der durch die Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-5 der fünften Zelleneinheit 10-5 hindurchgedrungene Gasanteil strömt über eine Leitung 39b, um durch den Kompressor C-5 der sechsten Zelleneinheit 10-6 weiter verdichtet zu werden, und wird dann in die Kammer 14-6 der sechsten Zelleneinheit 10-6 eingeleitete Der durch die Silikongummimembran der Kammer 14-6 hindurchgetretene Gasanteil wird über eine Leitung 39c und den Kompressor C-7 der siebten Zelleneinheit 10-7 in deren Kammer 14*>7 eingeführt. Der aus der Kammer 14-7 abgeleitete konzentrierte Gasanteil durchströmt einen Verteiler B-8, um in gereinigter Form wiedergewonnen zu werden»

Der verdünnte Gasanteil, welcher die in der Kammer 14-7 der siebten Zelleneinheit 10-7 vorgesehene Zelluloseacetatmembran durchströmt hat, gelangt über eine Rohrleitung 41 in einen Verteiler B-7, der einen Teil des verdünnten Gasanteils über eine Umgehung 42a-7 zum siebenten Kompressor C-7 und den Rest über eine Umgehung 42b-7 im vorgeschriebenen Strömungsverhältnis zum sechsten Kompressor C-6 leitet.

Auf die vorstehend beschriebene V/eise wird der verdünnte Gasanteil nacheinander den unteren Zelleneinheiten zugeführt, während der konzentrierte Gasanteil nacheinander die oberen Zelleneinheiten durchströmt. Die einzelnen Zellen-

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einheiten konzentrieren oder verdünnen die einströmenden Gasanteile entsprechend den Gasdurchlässigkeitscharakteristiken der in ihnen vorgesehenen Silikongummi- und Zelluloseacetatmembranen, so daß an den endseitigen Zelleneinheiten, nämlich an der siebten Zelleneinheit 10-7 bzw. an der ersten Zelleneinheit 10-1, konzentrierte und verdünnte Gasanteile mit jeweils hohem Reinheitsgrad austreten, Ersichtlicherweise werden die Gaskomponenten mit um so größerem Reinheitsgrad abgetrennt, je mehr Zelleneinheiten vorhanden sind.

Wie erwähnt, sind bei der in Figo 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgemischseparators die Kanäle bzwo Leitungen für einen verdünnten Gasanteil, der durch die Zelluloseacetatmembran 28 mit Verdünnungsvermögen hindurchgeströmt ist, mit den Verteilern B-1 bis B-7 versehen, von denen jeder zwei Auslaßleitungen aufweist. Die eine der beiden Auslaßleitungen führt einen Teil des verdünnten Gasanteils über die Umgehungen 42a-1 bis 42a-7 zu den jeweiligen Zelleneinheiten 10-1 bis 10-7 zurück. Die Kanäle bzw₀ Leitungen 39a bis 39f für den konzentrierten Gasanteil, welcher durch die Silikongummimembran 27 mit Gaskonzentrationsvermögen hindurchgetreten ist, sind dagegen nicht mit Verteilern versehen. Falls jedoch eine Membran, z.B_o eine Zelluloseacetatmembran 28, ein höheres Verdünnungsvermögen besitzt als das Konzentrationsvermögen einer anderen Membran, z.B„ einer üilikongummimembran 27, werden die Verteiler in den Kanälen bzw. Leitungen für den konzentrierten Gasanteil angeordnet, welcher durch die zuletzt genannte Membran 27 mit Gaskonzentrationsvermögen hindurchgeströmt ist_o

Falls auf beschriebene Weise ein Unterschied zwischen dem Konzentrationsvermögen der einen der beiden Membranarten mit unterschiedlicher Gastrennbarkeit und dem Verdünnungsvermögen der anderen dieser beiden Membranen auftritt, werden das Konzentrations- und Verdünnungsvermögen des so gebildeten Gasge-

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mischseparators durch Anordnung der Umgehungen 42a-1 bis 42a-7 gegenüber dem Fall erhöht, in welchem diese Umgehungen weggelassen werden.

Im folgenden ist anhand von Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die andere Umgehungen als bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 4 aufweist, um den Unterschied zwischen der Konzentration eines Gasanteils, welcher über die betreffenden Konzentrationsleitungen in die jeweiligen Zelleneinheiten einströmt, und derjenigen eines anderen Gasanteils zu verringern, der über die betreffenden Verbindungskanäle oder Leitungen in diese Zelleneinheiten eingeführt wird.

Fig. 5 ist ein Fließdiagramm eines Gasgemischseparators in Form von neun in Kaskade angeordneten Zelleneinheiten 10-1 bis 10-9» die jeweils die gleiche Konstruktion besitzen wie die Zelleneinheit 10-4 gemäß Fig. 2. Die den einzelnen Zelleneinheiten 10-1 bis 10-9» von unten nach oben gezählt, zugeordneten Teile tragen Bezugsziffern mit den gleichen Zusatzziffern wie die entsprechenden Zelleneinheiten. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 werden die sechste bis neunte Zelleneinheit 10-6 bis 10-9 mit ihren zugeordneten Teilen gemeinsam als "Anreicherungsstufen" bezeichnet, während die erste bis vierte Zelleneinheit 10-1 bis 10-4 mit ihren zugeordneten Teilen gemeinsam als "Abziehstufen" bezeichnet werden,. Mit den Bezugsziffern C-1 bis C-9 sind den jeweiligen Zelleneinheiten 10-1 bis 10-9 zugeordnete Kompressoren bezeichnet. Eine in den Kammern 14-1 bis 14-9 dargestellte ausgezogene Linie 27 bedeutet eine Silikongummimembran und eine gestrichelte Linie 28 eine Zelluloseacetatmembran.

Ein zu trennendes, vom Gasgemischvorrat 36 zugeführtes Gasgemisch strömt zur weiteren Verdichtung durch den Kompressor C-5 der fünften Zelleneinheit 10-5 über eine Leitung

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50 und wird nach Einstellung seines Drucks auf einen entsprechenden Wert durch ein nicht dargestelltes Druckregelventil in die Kammer 14-5 der fünften Zelleneinheit 10-5 eingeleitet. Die Komponenten des Gasgemisches werden in Form von konzentrierten und verdünnten Gasgemischen aufgetrennt, weil die üilikongummimembran 27 und die Zelluloseacetatmembran 28 in der fünften Zelleneinheit 10-5 unterschiedliches Gastrennvermögen besitzen.

Wie im Fall der Ausführungsform gemäß Fig_o 4 sind die Umgehungsleitungen erforderlichenfalls mit Meßdrucksignalgebern und Strömungsmengenmeßsignalgebern (nicht dargestellt) versehene

Der aus der fünften Zelleneinheit 10-5 austretende konzentrierte Gasanteil strömt über eine Umgehung 42a, um durch den Kompressor C-7 in der siebenten Zelleneinheit 10-7 weiter verdichtet zu werden, worauf er nach entsprechender Druckregelung durch ein nicht dargestelltes Druckregelventil in die Kammer 14-7 der siebenten Zelleneinheit 10-7 eingeleitet wird. Andererseits durchströmt ein aus der fünften Zelleneinheit 10-5 ausgetragener verdünnter Gasanteil eine Umgehungsleitung 41a, um durch den Kompressor C-4 der vierten Zelleneinheit 10-4 weiter verdichtet und dann in die Kammer 14-4 der vierten Zelleneinheit 10-4 eingeleitet zu werden. Der durch die Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-4 hindurchgedrungene konzentrierte Gasanteil strömt über eine Umgehungsleitung 42b, um durch den Kompressor C-6 der sechsten Zelleneinheit 10-6 weiter verdichtet und dann in die Kammer 14-6 der Zelleneinheit 10-6 eingeleitet zu werden. Der verdünnte Gasanteil, welcher durch die Zelluloseacetatmembran in der Kammer 14-4 der vierten Zelleneinheit 10-4 hindurchgetreten ist, strömt über eine Umgehungsleitung 41b, um durch den Kompressor C-3 der dritten Zelleneinheit 10-3 stärker verdichtet zu werden. Der durch die Silikongummimembran 27 in

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der Kammer 14-3 hindurchgedrungene konzentrierte Gasanteil wird über eine Umgehungsleitung 42c zum Kompressor C-5 der fünften Zelleneinheit 10-5 geleitet. Der verdünnte Gasanteil, welcher die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-3 der dritten Zelleneinheit 10-3 durchströmt hat, strömt zu einem Kompressor G-2 der zweiten Zelleneinheit 10-2, um dadurch stärker verdichtet zu werden, und sodann in die Kammer 14-2 der Zelleneinheit 10-2. Der durch die Silikongummimembran in der Kammer 14-2 hindurchgedrungene konzentrierte Gasanteil wird über die Umgehung 42d zum Kompressor C-4 der vierten Zelleneinheit 10-4 geleitet. Der durch die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-2 der zweiten Zelleneinheit 10-2 hindurchgedrungene verdünnte Gasanteil strömt über eine Umgehungsleitung 41d, um durch den Kompressor C-1 der endseitigen bzw. ersten Zelleneinheit 10-1 weiter verdichtet zu werden, worauf er in die Kammer 14-1 der ersten Zelleneinheit 10-1 eingeführt wird. Ein konzentrierter Gasanteil, welcher die Silikongummimembran 27 in dar Kammer 14-1 durchdrungen hat, strömt über die Umgehungsleitung 42e zum Kompressor C-3 der dritten Zelleneinheit 10-3. Der verdünnte Gasanteil, welcher schließlich durch die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-1 der ersten bzw. endseitigen Zelleneinheit 10-1 hindurchtritt, wird in hochreiner Form wiedergewonnene

Der durch die Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-6 der sechsten Zelleneinheit 10-6 hindurchgetretene konzentrierte Gasanteil gelangt über eine Umgehungsleitung 42f zum Kompressor C-8 der achten Zelleneinheit 10-8, um hier weiter verdichtet zu werden, und wird sodann in die Kammer 14-8 der achten Zelleneinheit 10-8 eingeleitet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird ein konzentrierter Gasanteil, welcher durch die Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-8 der achten Zelleneinheit hindurchgetreten ist, in hochreiner Form wiedergewonnene Andererseits wird ein verdünnter Gasanteil, welcher

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die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-6 der sechsten Zelleneinheit 10-6 durchströmt hat, über eine Umgehungsleitung 41e zum Kompressor C-5 der fünften Zelleneinheit 10-5 überführt. Der durch die Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-7 der siebenten Zelleneinheit 10-7 hindurchdiffundierte Gasanteil strömt über eine Umgehungsleitung 42g, um durch den Kompressor C-9 der neunten Zelleneinheit 10-9 weiter verdichtet und hierauf in die Kammer 14-9 dieser Zelleneinheit eingeleitet zu v/erden. Der konzentrierte Gasanteil hinter der Silikongummimembran 27 in der Kammer 14-9 wird in hochreiner Form wiedergewonnene Der verdünnte Gasanteil hinter der Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-9 der neunten Zelleneinheit 10-9 wird über eine Umgehungsleitung 41h dem Kompressor C-8 der achten Zelleneinheit 10-8 zugeführt₀ Der durch die Zelluloseacetatmembran 28 in der Kammer 14-8 der achten Zelleneinheit 10-8 hindurchdiffundierte verdünnte Gasanteil gelangt über eine Umgehungsleitung 41g zum Kompressor C-7 der siebenten Zelleneinheit 10-7· Bei FB ist ein Rückführrohr angedeutet, das erforderlichenfalls an den beiden endseitigen Zelleneinheiten, d.h. an der ersten und an der neunten Zelleneinheit, für die Rückführung der endgültig abgetrennten Gaskomponenten vorgesehen ist.

Auf vorstehend beschriebene Weise werden die Komponenten eines aufzutrennenden, in den Gasgemischseparator der Ausführungsform gemäß Fig_c 5 eingeführten Gasgemisches konzentriert oder verdünnt, weil die beiden in den einzelnen Zelleneinheiten 10-1 bis 10-9 vorgesehenen Membranen jeweils unterschiedliche Gastrenneigenschaften besitzen. Die konzentrierten Gasanteile werden von der achten und neunten Zelleneinheit 10-3, 10-9 in hochreiner Form \viedergewonnen. Auf ähnliche weise vird ein verdünnter Gasanteil in hochreiner r'orin an der ersten Zelleneinheit 10-1 erhalten. Ersichtlicherweise erfolgt die Trennung der Gaskomponenten um so vollständiger, je mehr Zelleneinheiten vorhanden sind.

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Beim Gasgeinischseparator gemäß Fig. 5 wird ein konzentrierter Gasanteil, v/elcher diejenige der beiden Membranen in den betreffenden Zelleneinheiten durchdrungen hat, welche die höhere Gasdurchlässigkeit besitzt (bei der dargestellten Aus führungs form die Silikongummimembran), über eine Reihe von speziell für diesen Zweck vorgesehenen Umgehungsleitungen nacheinander zu einem jeder zweiten oder zumindest jeder dritten Zelleneinheit zugeordneten Speiser für ein zu trennendes Gasgemisch und nicht zu jeweils unmittelbar folgenden Zelleneinheit geführte Durch diese Anordnung wird der Unterschied zwischen der Konzentration eines abgetrennten Gasanteils, der über den entsprechenden Konzentrationskanal in eine vorgegebene Zelleneinheit einströmt, und derjenigen eines anderen Gasanteils, welcher über den betreffenden Verdünnungskanal in die Zelleneinheit einströmt, auf ein Mindestmaß herabgesetzt, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad des betreffenden Gasgemischseparators erzielt wird. Bei der Aus führungs form gemäß Fig. 5 tritt ein abgetrennter Gasanteil nacheinander in jeweils jede dritte Zelleneinheit ein. Es ist jedoch auch möglich, den abgetrennten Gasanteil in jede vierte oder in jede zweite nachfolgende Zelleneinheit einzuleiten, wobei die dazwischen befindlichen drei oder mehr Zelleneinheiten ausgelassen werden,, Außerdem können je nach der Art einer abzutrennenden Gaskomponente die Konzentrationsund Verdünnungskanale bzw. -leitungen ersichtlicherweise auch gegeneinander ausgetauscht werden.

Nachstehend ist nunmehr ein Fall beschrieben, in welchem ein Gasgemisch aus Krypton und Stickstoff mit Hilfe eines Gasgemischseparators entsprechend den beiden Ausführungsformen der Erfindung gemäß den Fig. 4 und 5 in seine Gaskomponenten aufgeteilt wurde.

Die nachstehende Tabelle 1 gibt den Reingasdurchlässigkeitsfaktor einer Zelluloseacetatmembran für Stickstoff- und Krypton-

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gase, denjenigen einer Silikongummimembran für Stickstoff sowie das Verhältnis der Durchlässigkeitsfaktoren für die beiden Gase an. Dabei ist der Durchlässigkeitsfaktor in H-cm /cm »s»atm ausgedrückt.

Tabelle 1

	N₂-GaS	Kr-Gas	Verhältnis der Durchlässigkeits faktoren der bei den Gase (oc°)
Durchlässigkeits faktor einer Zelluloseacetat membran	4,15x10~⁴	2,51x10"⁴	1,65
Durchlässigkeits faktor einer Sili kongummimembran	5,67x10~⁴	1,87x10~⁴	3,03

Die nachstehende Tabelle 2 veranschaulicht das Verhältnis der Durchlässigkeitsfaktoren für die beiden Gase, die erforderliche Zahl von Zelleneinheiten sowie die Gesamtfläche der Membranen bei in Kaskade angeordneten Einzelmembran-Zelleneinheiten mit nur einer Zelluloseacetatmembran, in Kaskade geschalteten Einzelmembran-Zelleneinheiten mit nur einer Silikongummimembran, in Kaskade geschalteten Doppelmembran-Zelleneinheiten mit sowohl Zelluloseacetatmembran als auch Silikongummimembran für die Gastrennung, in Kaskade geschalteten Zelleneinheiten der Ausführungsform gemäß Fig. sowie in Kaskade angeordneten Zelleneinheiten der Ausführungsform gemäß Fig. 5 zum Vergleich des Wirkungsgrads der herkömmlichen Gasgemischseparatoren mit dem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Gasgemischseparatoren.

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Tabelle 2

cn CD co OO OO

ro ο

OO

	Verhältnis des Durchlassigkeits- faktors für beide Gase	Zahl der erforderlichen Zelleneinheiten für 10-fache Erhöhung der Konzentration eines abgetrennten Gas- anteils	Ge s amtmembran fläche zur Be handlung des gleichen Gas volumens
Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten mit nur einer hohlzylindrischen Zelluloseacötatmembran	1,64	9,34
Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten mit nur einer Silikongummi membran	3,03	4,16	1,00
Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten mit sowohl Zelluloseacetat- als auch Silikongummi membranen	2,68	4,67	1,06
Ausführungsform gemäß Fig. 4	4,96	2,88	0,91
Ausführungsform gemäß Fig. 5	4,76	2,96	0,91

IV)

cn oo OO CD OO

Anmerkung: 1. Bei einem Gasgemischseparator der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wurden zwei abgetrennte Gasanteile durch die Verteiler B1 bis B7 jeweils im gleichen Verhältnis von 1:0,51 verteilt.

2ο Die in Tabelle 2 aufgeführten Daten wurden auf der Grundlage derjenigen Daten ermittelt, die bei einer Kaskadenanordnung von Zelleneinheiten mit nur Silikongummimembran erzielt wurden.

Wie aus der vorstehenden Tabelle 2 hervorgeht, kann beim erfindungsgemäßen Gasgemischseparator in den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und gemäß Fig. 5 sowohl die erforderliche Zahl an Zelleneinheiten als auch die Gesamtoberfläche der verwendeten Membranen verkleinert werden.

Die nachstehende Tabelle 3 veranschaulicht die Reingasdurchlässigkeitskoeffizienten verschiedener Membranen, wie sie bei in Kaskade angeordneten Einzelmembran-Zelleneinheiten für die Trennung der Bestandteile bzw. Komponenten eines Gasgemisches verwendet werden, die erforderliche Zahl von Zelleneinheiten für die 10-fache Erhöhung der Konzentration eines abgetrennten Gasanteils sowie die Gesamtoberfläche der für die Behandlung des gleichen Gasvolumens eingesetzten Membranen.

Die nachstehende Tabelle 4 gibt den Durclilässigkeitsfaktor verschiedener Membranen, wie sie bei in Kaskade angeordneten Doppelmembran-Zelleneinheiten für die Abtrennung der Komponenten eines Gasgemisches eingesetzt werden, die für die 10-fache Erhöhung der Konzentration eines abgetrennten Gasanteils erforderliche Zahl von Zelleneinheiten sowie die Gesamtoberfläche der zur Behandlung des gleichen Gasvolumens eingesetzten Membranen an.

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ORIGINAL !NSPECTED

Tabelle 3

O Z

GO

m α

cn

CD

co α> οο ro

QO O

Membranart	Durchlas s i gke i ts faktο r (N-cm-Vcm²°s*atm)	N₂	Zahl von Zellenein heiten f. 10-fache Erhöhung d„Konzentra tion eines abgetrenn ten Gasanteils	Gesamtfläche d.Membraneη zur Behand lung des gleichen Gasvolumens
Hohlzylindrische Mem bran aus Silikon gummifasern	Kr	6,76 χ 10~⁵	4,52	1,00
Flache Silikongummi- membran	2,05x10"⁴	2,06 χ 10~⁴	3,77	0,371
Polyäthylenmembran	4,93 x 10"⁴	7,39 χ 10"⁷	3,00	60,2
Polycarbonatmembran (0,05 a dick)	4,39 x 10"⁶	2,39	10,60	1,0 χ 10~⁴
Polycarbonatmembran (0,03 M dick)	1,56	1,23 x 10~¹	9,66	2,69 x 10"³
Tetrafluoräthylenmem bran	7,71 χ 10"²	4,78 χ 10~²	8,51	7,50 χ 10"*³
Tetramethylpenten- membran	2,82 χ 10"²	8,40 χ 10~⁵	5,38	6,44
3,67 x 10"⁵

tv

ro cn ro c» cx> ay co

Tabelle 4

cn ο co co

OO

3?. D

Z >

Membranart	Durchlässigkeitsfaktor (N-cnr/cm ·s»atm)	N₂	Zahl von Zelleneinheiten für 10-fache Erhöhung d.Konzentration eines abgetrennten Gasanteils	Gasseparator von Fig. 5	Gesamtfläche d„Mem branen zur Behand lung des gleichen Gasvolumens	Gassepa rator vor Fig. 5
Hohlzylindrische Membran aus Silikongummifasern Polycarbonatmem- bran (0,05 M dick)	Kr	6,76x10"⁵ 2,39	Gasseparator von Fig. 4	4,41	Gassepara tor von Fig. 4	0,232
Hohlzylindrische Membran aus Silikongummifasern Polycarbonatmem- bran (0,03 M dick)	2,05x10""⁴ 1,56	6,76x10"⁵ 1,23x10"¹	3,18	4,25	0,729	0,258
Hohlzylindrische Membran aus Silikongummifasern Tetrafluoräthylen membran	2,05x1Ο"⁴ 7,71x10"²	6,76x10"⁵ 4,78x10~²	3,13	4,02	0,831	0,297
Hohlzylindrische Membran aus üilikongummifasern Tetramethylpenten- membran	2,05x10"⁴ 2,82x10"²	6,76x10"⁵ 8,40x10"⁵	2,95	3,20	0,674	1,50
2,05x10"^ 3,67x10~⁵	2,45	1,75

v^

ro cn ro co oo cx> co

Fortsetzung Tabelle

cn ο co οο αο

I Polyäthylenmembran Polycarbonat- nembran (0,05 η dick]	4,39x10"⁶ 1,56	7,39x1O"⁷ 2,39	2,43	3,37	35,8	8,73
Polyäthylenmembran Polycarbonat- nembran (0,03 η dick!	4,39x10"⁶ 7,71x10"²	7,39x10"⁷ 1,23x10"¹	2,31	3,28	40,1	9,62
Polyäthylenmembran Te trafluo räthylen- nembran	4,39x10"⁶ 2,82x10~²	7,39x1O"⁷ 4,78x10"²	2,26	3,15	47,5	10,9
Polyäthylenmembran jPolycarbonat- piembran	4,39x10"⁶ 3,67x1O"⁵	7,39x10~⁷ 8,40x1O"⁵	1,95	2,61	37,3	17,8

NJ) OO OO

C75 OO

V/ie aus den obigen Tabellen 3 und 4 hervorgeht, benötigt der Doppelmembran-Gasgemischseparator gemäß der Erfindung (in den beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und gemäß Fig. 5) eine kleinere Zahl von Zelleneinheiten sowie eine kleinere Gesamtoberfläche der Membranen für die Behandlung des gleichen Gasvolumens.

Es ist zu beachten, daß die Gasdurchlaßfläche der Membran pro Volumeneinheit in Abhängigkeit von der Form der Membran variiert» Beispielsweise besitzt eine hohlzylindrische Fasermembran pro Volumeneinheit eine um mindestens das 10-fache größere Gasdurchlässigkeitsfläche als eine flache oder gewellte Membran.

Fig. 6 ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung einer Zelleneinheit, bei welcher mehrere Hohlzylinder 51 aus der einen Art eines faserigen Membranmaterials sowie eine Anzahl von Hohlzylindern 52 aus einer anderen Art eines faserigen Hembranmaterials in ein zylindrisches Gehäuse 53 eingesetzt sind, dessen beide Enden durch Deckel 54, 55 abgedichtet sind. Jede der beiden Arten der Fasermembranzylinder ist dabei in einer Gruppe zu mehreren Hundert mit Hilfe eines Klebmittels bzw. einer Vergußmasse 58 an jeden Ende an inneren Jtündplatten 56, 57 angebracht. Bei der Zelleneinheit gemäß Fig. 6 sind ein Speiser 61 für ein zu trennendes Gasgemisch, ein Auslaßrohr 59 für einen konzentrierten Gasanteil und ein Auslaßrohr 60 für einen verdünnten Gasanteil vorgesehen.

Wie vorstehend beschrieben, besteht der erfindungsgemäße Gasgemischseparator aus einer Anzahl von in Kaskade angeordneten Zelleneinheiten mit jeweils zwei Membranarten unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit, wobei er zudem mit einer Anzahl von Anschluß- bzw. Verbindungsrohrleitungen versehen ist, um den

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ORIGINAL

Konzentrationsunterschied zwischen einem über die betreffenden Konzentrationskanäle bzw, -leitungen in die betreffende Zelleneinheit eingeführten, abgetrennten Gasanteil und einem anderen abgetrennten Gasanteil, welcher über den entsprechenden Verdünnungskanal bzw. -leitung in die Zelleneinheit eingeführt wird, möglichst weitgehend zu verringern. Ein Teil der Verbindungsrohrleitungen wird jeweils durch eine Umgehungsleitung gebildet, die zur Rückführung eines abgetrennten Gasanteils, welcher durch die Membran mit dem geringeren Abtrennvermögen gegenüber Gas hindurchgedrungen ist, zu dem Speiser dient, welcher der gleichen Zelleneinheit das zu trennende Gasgemisch zuführt. Die andere Art von Verbindungsrohrleitungen besteht ebenfalls aus einer Umgehungsleitung, um den anderen abgetrennten Gasanteil, welcher die Membran mit dem höheren Abtrennvermögen durchströmt hat, zum Speiser für das zu trennende Gasgemisch zuzuführen, welcher nicht jeder unmittelbar nachgeschalteten Zelleneinheit, sondern jeder zweiten aufeinanderfolgenden oder zumindest jeder dritten Zelleneinheit zugeordnet ist.

wie erwähnt, v/ird die Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches bei ihrem Hindurchdiffundieren durch z.B. zwei irrten von Membranen mit unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit, die in einer einzigen Zelleneinheit angeordnet sind, durch die synergetisclie Wirkung dieser beiden i-iembranarten mit unterschiedlichem Gastrennvermögen bestimmt. Beim herkömmlichen Gasgemischseparator in Form einer Anzahl von in Kaskade angeordneten Zelleneinheiten mit jeweils zwei Arten von Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen, bei dem eine abgetrennte Komponente eines Gasgemisches nacheinander eine Reihe von Zelleneinheiten durchströmt, v/ird die Gastrennfähigkeit selbstverständlich durch die Eigenschaften derjenigen der beiden Membranen bestimmt, welche das geringere Gastrennvermögen besitzt, was schließlich zu einer Verringerung der Gastrennfähigkeit sowie zu einer Verringerung der effektiven

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Gesaintgasdurchlaßfläche der verwendeten Membranen führte Diese Nachteile werden auf die Tatsache zurückgeführt, daß sich die abgetrennten Gasanteile mit unterschiedlichen Konzentrationen an den Konvergierungspunkten der Konzentrationsund Verdünnungskanäle der einzelnen Zelleneinheiten miteinander vermischen.

Diese Verringerung der Gastrennfähigkeit kann jedoch dadurch vermieden werden, daß gemäß der Lehre der Erfindung eine Anzahl von Umgehungsleitungen vorgesehen wird, um auf diese V/eise den Unterschied zwischen der Konzentration eines über den entsprechenden Konzentrationskanal bzw. -leitung in die betreffende Zelleneinheit eingeleiteten abgetrennten Gasanteils und derjenigen eines anderen, über die entsprechenden Verdünnungskanäle bzw. -leitungen in die Zelleneinheit eingeleiteten, abgetrennten Gasanteils möglichst weitgehend herabzusetzen. Der erfindungsgemäße Gasgemischseparator, bei dem zwei Arten von Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen in jeder der verschiedenen, in Kaskade angeordneten Zelleneinheiten vorgesehen sind, vermag einen größeren Gastrennkoeffizienten zu gewährleisten als jede der bekannten Vorrichtungen, während gleichzeitig die von den Membranen eingenommene Gesamtfläche verkleinert werden kann, woraus der Vorteil resultiert, daß die Abmessungen des erfindungsgemäßen Gasgemischseparators auf die Hälfte oder ein Drittel der bisher erforderlichen Abmessungen verkleinert werden können.

Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Trennung verschiedenartiger Komponenten eines Gasgemisches, also nicht nur für die Behandlung der aus einem

on ■ Kernreaktor austretenden, radioaktiv/Verdünnten Gase, sondern

auch z.B_e der Abgase von chemischen Anlagen.

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Claims

Patentansprüche

1* Gasgemischseparator in Form einer Anzahl von Zelleneinheiten, die in mehreren Stufen angeordnet und für die selektive Trennung der Komponenten eines Gasgemisches entsprechend den charakteristischen Gastrenneigenschaften zweier verschiedener, im Gehäuse jeder Zelleneinheit vorgesehener Membranarten mit unterschiedlichem Gastrennvermögen ausgelegt sind, wobei die einzelnen Zelleneinheiten mit einem solchen Rohrleitungssystem versehen sind, daß die abgetrennten, durch die beiden verschiedenen Membranen hindurchdiffundierten Gasanteile in fortschreitend konzentrierter Form nacheinander zu einer Reihe von Zelleneinheiten höherer Stufe bzw. in fortschreitend verdünnter Form zu einer Anzahl von Zelleneinheiten niedrigerer Stufe geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin mehrere Verbindungsrohrleitungen vorgesehen sind, um den Unterschied zwischen der Konzentration eines abgetrennten, über die entsprechenden Konzentrationskanäle oder -leitungen in die betreffenden Zelleneinheiten einströmenden Gasanteils und derjenigen eines anderen abgetrennten, über die entsprechenden Verdünnungskanäle bzw. -leitungen in die Zelleneinheiten eingeleiteten Gasanteils zu verringern.

2· Gasgemischseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrohrleitungen zur Verminderung des Unterschieds zwischen den Konzentrationen der über die jeweiligen Konzentrations- und Verdünnungsleitungen in die Zelleneinheiten einströmenden Gasanteile Umgehungsleitungen zur Rückführung eines abgetrennten Gasanteils, der durch diejenige der beiden in einer Zelleneinheit angeordneten Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen hindurchdiffundiert ist, welche das niedrigere Gastrennvermögen besitzt^ zu dem für die Zufuhr eines zu trennenden Gasgemisches dienenden Speiser der betreffenden Zelleneinheit sind,

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Gasgemischseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrohrleitungen zur Verminderung des Unterschieds zwischen den Konzentrationen der über die jeweiligen Konzentrations- und Verdünnungsleitungen in die Zelleneinheiten einströmenden Gasanteile Umgehungsleitungen sind, die einen abgetrennten Gasanteil, welcher durch die eine höhere Gasdurchlässigkeit besitzende Membran der beiden Membranen mit unterschiedlichem Gastrennvermögen in einer vorgegebenen Zelleneinheit hindurchdiffundiert ist, der Reihe nach den Speisern für ein zu trennendes Gasgemisch zuführen, die jeder zweiten oder zumindest jeder dritten Zelleneinheit zugeordnet sind, anstatt den Gasanteil jeder unmittelbar nachgeschalteten Zelleneinheit zuzuführen.

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