DE2654682C2 - Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Masse durch Diffusion - Google Patents

Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Masse durch Diffusion

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DE2654682C2
DE2654682C2 DE2654682A DE2654682A DE2654682C2 DE 2654682 C2 DE2654682 C2 DE 2654682C2 DE 2654682 A DE2654682 A DE 2654682A DE 2654682 A DE2654682 A DE 2654682A DE 2654682 C2 DE2654682 C2 DE 2654682C2
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Description

1. die Zuführleitungen (13) zum Hochdruckteil (6, 7) jeder Zelle mit der Gemischzuleitung, die das zu trennende Gasgemisch führt, verbunden sind;
2. die Abführleitungen (14, 15) aus den Zellen entweder
a) mit den Hochdruckteilen (6, 7) beider Zellen oder
b) mit den Niederdruckteilen (10, 11) beider Zellen oder
c) mit dem Hochdruckteil (6 oder 7) einer Zelle und dem Niederdruckteil (10 bzw. 11) der anderen Zelle verbunden sind;
3. die Rückführleitungen (12) von den Zellen zur Zuführleitung mit denjenigen Hochdruck- und Niederdruckteilen (6, 7, 9, 10) der Zellen verbunden sind, die nicht mit Abführleitungen verbunden sind; und
4. die Membranen (8,9) der Zellen in den Fällen 2a und 2b für die Gemischkomponenten unterschiedliche Permeabilitäten, im Fall 2c gleiche Permeabilität besitzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der, von der einen Zelle (4) wegführenden Abführleitung (14) eine Rückführleitung (a) abzweigt und zu <Jem mit der Zelle (4) verbundenen Zweig der Zuführleitung (13) führt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der, von der anderen Zelle (5) wegführenden Abführleitung (15) eine Rückführleitung (b) abzweigt und zu dem mit der Zelle (5) verbundenen Zweig der Zuführleitung (13) führt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der, von der einen Zelle (4) wegführenden Abführleitung (14) eine Rückführleitung (a) abzweigt und zu dem mit der Zelle (4) verbundenen Zweig der Zuführleitung (13) führt; und von der, von der anderen Zelle (5) wegführenden Abführleitung (15) eine Rückführleitung (ty abzweigt und zu dem mit der Zelle (5) verbundenen Zweig der Zuführleitung (13) führt.
\ Ί Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen
von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Masse durch Diffusion, mit zwei Zellen mit durch je eine Membran getrennten Hochdruck- und Niederdruckteilen, mit Zuführleitungen zum Hochdruckteil jeder Zelle, mit Abführleitungen aus den Zellen und Rückführleitungen aus den Zellen zur Zuführleitung.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der deutschen Auslegeschrift 11 67 797 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung bilden je zwei Zellen eine Trennstufe. Zu jeder Zelle gehören eine Gemischzuleitung zum Hochdruckteil, eine Ableitung für das an dem leichteren Bestandteil angereicherte Gemisch am Niederdruckteil und eine Ableitung für das an dem leichteren Bestandteil verarmte Gemisch am Hochdnickteil. Zusätzlich stehen dit Ableitung des Niederdruckteiles der ersten Zelle jeder Stufe mit der Gemischzuleitung der ersten Zelle der folgenden Stufe, die Ableitung des Niederdruckteiles der zweiten Zelle jeder Stufe mit der Gemischzuleitung der ersten Zelle der gleichen Stufe und die Ableitung des Hochdruckteiles der ersten Zelle mit der Gemischzuführung der zweiten Zelle der gleichen Stufe in Verbindung. Als Besonderheit ist vorgesehen, daß die Ableitung des Hochdruckteiles der zweiten Zelle jeder Stufe mit der Gemischzuleitung der zweiten Zelle der vorhergehenden Stufe verbunden ist Diese Ausgestaltung gewährleistet gegenüber bekannten Vorrichtungen bei verminderter Stufenzahl eine Erhöhung des Gesamtdurchsatzes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Vorrichtung der obengenannten Art den Trennfaktor zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Erläuterung der Erfindung dient auch 1 Blatt Abbildungen mit den F i g. 1 und 2; im einzelnen zeigt
F i g. 1 ein Fließdiagramm für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
F i g. 2 eine Schrägansicht, teilweise im Schnitt, von einer Zelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die getrennten Gaskomponenten von den ersten und zweiten Zellen entweder in angereicherter oder in abgereicherter Form abgezogen. Hierzu sind die nachfolgenden drei Alternativen möglich:
(a) Eine Vorrichtung, bei der die Gaskomponenten von den Hochdruckteilen beider Zellen abgezogen werden;
(b) eine Vorrichtung, bei der die Gaskomponenten von den Niederdruckteilen beider Zellen abgezogen werden; oder
(c) eine Vorrichtung, bei der eine Gaskomponente von dem Hochdruckteil der einen Zelle und eine Gaskomponente von dem Niederdruckteil der anderen Zelle abgezogen wird.
Bei den obengenannten Alternativen (a) und (b) weist die Membran der einen Zelle eine entgegengesetzte Permeabilität zu der Membran der anderen Zelle auf. Bei der Alternative (c) haben die Membran der einen Zelle und die Membran der anderen Zelle die gleiche Permeabilität.
Mit Bezugnahme auf die Abbildungen wird nachfolgend die Alternative (a) der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Ein zu trennendes Gemisch wird aus einer Quelle 1 herangeführt; mittels einer Pumpe 2 wird dieses Gasgemisch auf einen vorgegebenen Druck gebracht und mittels einer Zweigleitung 3 in zwei, in verschiedene Richtungen strömende Gasanteile aufgeteilt. Die aufgeteilten Gasanteile treten in den Hochdruckteil 6 der ersten Zelle 4 und in den Hochdruckteil 7 der zweiten Zelle 5 ein. Ein Teil der in die Hochdruckteile eingetretenen Gasanteile durchdringt die erste Membran 8 und die zweite Membran 9, strömt durch die
Niederdruckteile 10 und 11 und wird schließlich durch eine Rückführleitung 12 zu der Zuführleitung 13 zurückgebracht. Die nicht durch die erste Membran 8 und die zweite Membran 9 hindurchgetretenen Gasanteile strömen durch die Abführleitungen 14 und 15 und die Druckreduzierventile 16 und 17 in ein Aufnahmegefäß 18 für abgereichertes Gas und in ein Aufnahmegefäß 19 für angereichertes Gas. Beim Durchtritt durch die erste Membran 8 wird die angestrebte Komponente des zu behandelnden Gasgemisches angereichert; beim Durchtritt durch die zweite Membran 9 verarmt das Gasgemisch an dieser Komponente.
In diesem Falle arbeitet die erste Zelle 4 als Abreicherungszelle und die zweite Zelle 5 als Anreicherungszelle. Für den Fall, daß die erste Membran 8 und die zweite Membran 9 gegenseitig vertauscht werden, arbeitet entsprechend die erste Zelle 4 als Anreicherungszelle und die zweite Zelle 5 als Abreicherungszelle.
Zahlenmäßige Angaben über den Trennfaktor einer solchen Vorrichtung ergeben sich aus den nachfolgenden Betrachtungen; mit Bezugnahme auf das Fließdiagramm nach F i g. 1 werden die nachfolgenden Kenngrößen eingeführt:
H--
Z = Konzentration des ursprünglichen, zu
trennenden Gasgemisches;
F = Durchsatz dieses Gasgemisches;
Z+ = die Konzentration eines modifizierten
Gasgemisches, das aus dem ursprünglichen, zu behandelnden Gasgemisch besteht und solchen Gasanteilen, welche nach Hindurchtreten durch die ersie Membran und die zweite Membran zu der
Zuführleitung zurückgeführt worden sind; = Durchsatz eines Gases, das der ersten
Zelle 4 zugeführt wird;
= Durchsatz eines Gases, das der zweiten
Zelle 5 zugeführt wird;
= das Durchsatzverhältnis der ersten Zelle 4,
d. h. das Verhältnis der Durchsätze eines *o Gases, das durch die Membran hindurchgetreten ist, zu dem Durchsatz eines Gases, das dieser Zelle zugeführt worden
ist;
Θ2 = das Durchsatzverhältnis der zweiten Zelle
5;
g\ = der Anreicherungsfaktor der ersten Zelle 4
(unter dem Anreicherungsfaktor wird das Verhältnis der Abführkonzentration eines in dieser Zelle angereicherten Gases zur Konzentration eines Gases, das dieser
Zelle zugeführt worden ist, verstanden);
h\ = der Abreicherungsfaktor der ersten Zelle 4
(unter dem Abreicherungsfaktor wird das Verhältnis der Abführkonzentration eines Gases, das in dieser Zelle verarmt wurde, zu der Konzentration eines Gases, das
dieser Zelle zugeführt worden ist, verstanden);
gx = der Anreicherungsfaktor der zweiten Zelle
5;
hi = der Abreicherungsfaktor der zweiten Zelle
5; β, - 1 -
Z+ g\ = die Konzentration eines Gases, das durch die Membran der ersten Zelle 4 hindurchgetreten ist, wobei der Durchsatz dieses
Gases mit Li0i bezeichnet ist;
Z+hi = die Konzentration eines Gases, das nicht durch die Membran der ersten Zelle 4 hindurchgetreten ist, wobei der Durchsatz dieses Gases mit Li(I — θι) bezeichnet ist;
Z+/?2 = die Konzentration eines Gases, das durch die Membran der zweiten Zelle 5 hindurchgetreten ist, wobei der Durchsatz dieses Gases mit L2Q2 bezeichnet ist;
Z+g2 = die Konzentration eines Gases, das nicht durch die Membran der zweiten Zelle 5 hindurchgetreten ist, wobei der Durchsatz dieses Gases mit L2(I - Θ2) bezeichnet äst;
(=#ι/Λι) = der Trennfaktor der ersten Zelle 4;
«2 (=^2/^2) = der Trennfaktor der zweiten Zelle 5, und
Ois, (=g2-'h\) = der Trennfaktor der gesamten Vorrichtung.
Für den Fall, daß θι und θ2 dahingehend gewählt werden, daß g2>g\ und Λ2>Λι, folgt xsl> \ und λ5Ι>α2. Deshalb weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Anreicherungszelle und einer Abreicherungszelle einen größeren Trennfaktor auf, als er für übliche Gastrennung erhalten wird.
Der Anreicherungsfaktor G der gesamten Vorrichtung (das Verhältnis der Konzentrationen eines Gases, das durch diese Vorrichtung angereichert wurde, zu der Konzentration des ursprünglichen Gasgemisches, das dieser Vorrichtung zugeführt worden ist) und der Abreicherungsfaktor H (das Verhältnis der Konzentration eines Gases, das durch diese Vorrichtung abgereichert wurde zu der Konzentration des ursprünglichen Gasgemisches, das dieser Vorrichtung zugeführt worden ist) können mit den nachfolgenden Gleichungen dargestellt werden:
L1 (1-0,) +L2(I -θ2)
Z+A1
Li(I-S1)+L2(I-O)
L1(I-O2) Λ, +L2(l-<92)ft
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das angestrebte Ausmaß der An- und Abreicherung frei bestimmt werden, wenn die Kenngrößen Θ, und θ2 nach den folgenden Gleichungen festgelegt werden:
(D
wobei die Anreicherung in größerem Ausmaß durchgeführt vfird als die Abreicherung;
(II)
wobei die Abreicherung in größerem Ausmaß durchgeführt wird, als die Anreicherung;
(III)
wobei die Anreicherung und Abreicherung in gleichem Ausmaß durchgeführt werden.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf Fig. 2 die
konkrete Ausbildung und Betriebsweise von zwei Zellen 4 und 5 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben (da beide Zellen im wesentlichen von der gleichen Bauart sind, wird lediglich eine von ihnen beschrieben). Zu der Zelle gehört ein Körper 20; ein Deckel 22, an den eine Zuführleitung 23 angeschlossen ist; ein Deckel 24, an den eine Abführleitung 25 angeschlossen ist; und Isolierplatten 29 und 30, welche die beiden Enden einer großen Zahl von Membranrohren 26 halten. Zwischen dem Deckel 22 und der Isolierplatte 29 ist ein Zwischenraum 27 ausgebildet; zwischen dem Deckel 24 und der Isolierplatte 30 ist ein Zwischenraum 28 ausgebildet; diese beiden Zwischenräume 27 und 28 sind durch einen weiteren Zwischenraum getrennt, der unmittelbar innerhalb des Zeilkörpers 20 mittels der Membranrohre 26 gebildet ist. Ein Gasgemisch, das durch die Zuführleitung 23 der Zelle zugeführt wird, strömt durch den Zwischenraum 27 in die Membranrohre 26. Während das Gasgemisch längs der Innenwände der Membranrohre 26 strömt, tritt ein Teil dieses Gasgemisches durch die Membranrohre 26 hindurch und tritt in den Zwischenraum ein, der innerhalb des Zellkörpers 20 ausgebildet ist; von dort wird dieser Gasanteil durch das Abführrohr 21 abgezogen. Derjenige Anteil des Gasgemisches, der nicht durch die Membranrohre 26 hindurchgetreten ist, tritt in den Zwischenraum 28 ein und strömt von dort durch eine Abführleitung 25 weg. Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, eine Kombination aus zwei Zellen von im wesentlichen der gleichen Ausbildung (abgesehen von den Membranrohren) zu verwenden, oder zwei Zellen in einem Gefäß vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für eine Vielfachstufe bestimmt sein und eine große Anzahl von Zellenpaaren aufweisen, die in Form einc-r Kaskade angeordnet sind (in diesem Falle besteht jede Stufe aus zwei Trennzellen). Für den Fall, daß in einer solchen Vorrichtung eine geeignete Auswahl hinsichtlich der Art und der Fläche der Membranrohre durchgeführt wird, welche in der ersten und in der zweiten Zeile verwendet werden, und weiterhin das Ausmaß der Durchsatzverhältnisse Θ; und θ2, die von der ersten und der zweiten Zelle erreicht werden, geeignet festgelegt werden, dann weist eine solche Vorrichtung einen größeren Trennfaktor auf, als er für übliche Trennvorrichtungen erhalten wird.
Nachfolgend wird die Trennung eines Gasgemisches mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben:
50
Beispiel
Das zu trennende Gasgemisch bestand aus Helium mit einem Anteil von 100 ppm Krypton; das Membranrohr der ersten Zelle bestand aus einem Silikongummi (Außendurchmesser 1,0 mm; Innendurchmesser 0,3 mm; Durchtrittsfläche 88 m2). Das Membranrohr der zweiten Zelle bestand aus Celluloseacetat (Außendurchmesser 0,8 mm; Innendurchmesser 0,5 mm; Durchtrittsfläche 0,03 m2). Das Verhältnis θι wurde auf C,7 und das Verhältnis B2 wurde auf 03 festgelegt Die Hochdruckteile und die Niederdruckteile der ersten und zweiten Zelle wurden dahingehend ausgewählt, daß ein Druck von 10 kg/cm2 und entsprechend ein Druck von kg/cm2 (Meßdruck) vorlag. Für den Fall, daß das ursprüngliche Gasgemisch mit einem Durchsatz von l,0Nm3/h strömte, entsprechen die Konzentrationen und Durchsätze der Gasanteile, welche durch die verschiedenen Abschnitte der Vorrichtung strömten, den Angaben, die im Fließdiagramm nach F i g. 1 eingetragen sind. Der Trennfaktor der Vorrichtung betrug ungefähr 67.
Für den Fall, daß das Membranrohr aus Silikongummi und das Membranrohr aus Celluloseacetat allein unter den gleichen, oben beschriebenen Bedingungen verwendet wurde, wies jede Zelle einen Trennfaktor von ungefähr 16 bzw. von ungefähr 13 auf. Aus diesem Grunde kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung bei gleicher Trennleistung mit einer kleineren Anzahl von Kaskadenstufen, Pumpen, Kontrolleinrichtungen und Instrumenten aus, was im Hinblick auf Kosten und Wartung sehr vorteilhaft ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf die Trennung jedes beliebigen Gasgemisches anwendbar, beispielsweise zur Abtrennung der angestrebten Komponenten aus einem Gasgemisch, das zwei oder mehr der nachfolgenden Bestandteile enthält, nämlich Wasserstoff (H2), Helium (He), Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Luft, Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn), Fluor (F2), Chlor (Cl2), Brom (Br2), Jod (J2), Uranhexafluorid (UF6), Ozon (Oj), gasförmige Kohlenwasserstoffe (CmH„), Schwefeldioxid (SO2), monomeres Vinylchlorid (C2H3CI), monomeres Acrylnitril (C2H3CN), nitrose Gase (NOx) und Isotope dieser Gase.
Zu den für die Membranrohre dieser Vorrichtung verwendeten Materialien gehören neben Silikongummi und Celluloseacetat weitere Materialien, wie z. B. Polyäthylen, Tetramethylpentan, Polybutadien, Äthylcellulose, Polytetrafluoräthylen, Polyester und poröse Metallmembranen.
Zur Trennung können die Gasströme in jeder beliebigen Form (Gegenstrom, Gleichstrom, Querstrom, Mischstrom) durch die Vorrichtung geführt werden. Die Verhältnisse Θι und θ2 können auch durch Regelung anderer Maßnahmen festgelegt werden, beispielsweise durch ein Druckreduzierventil, ein Druckregelungsventil, ein Durchflußregelungsventil oder andere, den Druck regelnde Vorrichtungen. Die Membran kann in der Form eines Rohres, einer flachen Platte, einer spiralig gewundenen Platte, einer hohlen Faser vorliegen; weiterhin kann die hohle Faser oder das Rohr einen Kern aus körnigem Material oder Draht enthalten.
Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 ist es weiterhin möglich, die entsprechenden Zellen mit einerRückführleitung auszubilden, um denjenigen Anteil des Gases zu der Zuführleitung zurückzuführen, der nicht durch die Rohrmembranen der Zellen hindurchgetreten ist. In F i g. 1 sind derartige Rückführleitungen a und b mit gestrichelten Linien angedeutet In diesen Fällen ist eine Pumpe in den Rückführleitungen a und /»vorgesehen.
Bei der oben mit Bezugnahme auf F i g. i beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung hat die Membran der ersten Zelle gegenüber der Membran der zweiten Zelle eine entgegengesetzte Permeabilität; weiterhin werden das angereicherte Gas und das abgereicherte Gas aus den Hochdruckteilen der ersten und der zweiten Zelle in der Weise abgezogen, daß das nicht durch die Membran hindurchgetretene Gas abgezogen wird. Darüber hinaus sind erfindungsgemäß die nachfolgenden Modifizierungen möglich.
A) Die Membran der ersten Zelle weist gegenüber der Membran der zweiten Zelle eine entgegengesetzte Permeabilität auf: der durch die Membran der ersten und der zweiten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird in ab- oder angereicherter Form
abgezogen; und der nicht durch die Membran der ersten und der zweiten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird zu der Gaszuführseite dieser Vorrichtung zurückgeführt.
B) Die Membranen der ersten und der zweiten Zelle weisen die gleiche Permeabilität auf; der durch die Membran der ersten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird zu der Gaszuführseite dieser Vorrichtung zurückgeführt; der nicht durch die Membran der ersten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird in angereicherter oder abgereicherter Form abgezogen; der durch die Membran der zweiten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird in ab- oder angereicherter Form abgezogen; und der nicht durch die Membran der zweiten Zelle hindurchgetretene Gasanteil wird zu der G'aszuführseite dieser Vorrichtung zurückgeführt.
Bei diesen oben angegebenen Modifizierungen A und B ist es weiterhin möglich, die entsprechende Vorrichtung mit den nachfolgend erläuterten Rückführleitungen auszustatten:
(a) Bei der Modifizierung A ist eine Rückführleitung vorgesehen, um den durch die Rohrmembran der
ersten Zelle hindurchgetretenen Gasanteil zu der Zuführleitung zu der ersten Zelle zurückzuführen; und/oder es ist eine Rückführleitung vorgesehen, um den durch die Rohrmembran der zweiten Zelle ίο hindurchgetretenen Gasanteil zu der Zuführleitung der zweiten Zelle zurückzuführen.
(b) Bei der Modifizierung B ist eine Rückführleitung vorgesehen, um den nicht durch die Rohrmembran der ersten Trennvorrichtung hindurchgetretenen Gasanteil zu der Zuführleitung der ersten Zelle zurückzuführen; und/oder es ist eine Rückführleitung vorgesehen, um den nicht durch die Rohrmembran der zweiten Zelle hindurchgetretenen Gasanteil zu der Zuführleitung zu der zweiten Zelle zurückzuführen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Masse durch Diffusion, mit zwei Zellen mit durch je eine Membran getrennten Hochdruck- und Niederdruckteilen, mit Zuführleitungen zum Hochdruckteil jeder Zelle, mit Abführleitungen aus den Zellen und Rückführleitungen aus den Zellen zur Zuführleitung, dadurch gekennzeichnet, daß
DE2654682A 1975-12-02 1976-12-02 Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Masse durch Diffusion Expired DE2654682C2 (de)

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