DE295463C

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Publication number: DE295463C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Vorliegende Erfindung bezweckt eine Trennung von Gasen aus Gasgemischen, indem letztere gleichzeitig an zwei oder mehreren Diffusionsflächen von verschiedener Durchlässigkeit für die verschiedenen Gase vorbeigeführt und durch diese hindurch- und abgesaugt werden.

Die gleichzeitige Verwendung mehrerer verschiedenartiger Diffusionsflächen zur Trennung

ίο von Gasgemischen an sich ist bekannt (vgl. z. B. W. Nernst, Theoretische Chemie, 6. Aufl., Stuttgart 1909, S. 100 ff.). Bei diesem bekannten Prinzip handelt es sich um einen Zylinder, in welchen sich ein Gemisch von zwei Gasen I und II befindet und ferner zwei Kolben gegenläufig bewegen, von denen einer nur für Gas I, der andere ,nur für Gas II durchlässig ist. Diese Anordnung wird zur Ableitung der Trennungsarbeit benutzt und hat nur ein theoretisches Interesse, kommt aber für praktische Ausführungen nicht in Betracht; denn bei der dargestellten Anordnung befindet sich das Gasgemisch im Zustande der Ruhe, es verbleiben also an den Kolbenflächen immer die gleichen Schichten des Gasgemisches. Nach erfolgter Diffusion des einen Gases (z. B. Gas I) aus dieser Schicht wird also nur das nichtdiffundierende (II) übrigbleiben und für die folgenden Gasschichten eine undurchdringliche Wand darstellen. Die weitere Diffusion des Gases I durch den zugehörigen Kolben wird also nur nach Maßgabe der erfolgten Diffusion der folgenden Gasschichten in die erste stattfinden. Mit fortschreitenden Diffusionsvorgängen werden die hierzu erforderlichen Zeiten immer größer werden, entsprechend den immer stärker werdenden Schichten, durch welche Gas I hindurch diffundieren muß. Die hierdurch bedingte außer-' ordentlich geringe Leistungsfähigkeit macht eine solche Vorrichtung für praktische Zwecke unbrauchbar. Dieser Ubelstand läßt sich umgehen, indem das Gasgemisch in (wirbelnde) Bewegung gehalten wird, damit ununterbrochen und stetig neue Gasschichten an der Diffusionswand vorbeigeführt werden. Dieses wird bei vorliegendem Erfindungsgegenstande erreicht, indem statt der beweglichen Diffusionsstellen fest angeordnete Diffusionswände verwendet werden und an diesen das Gasgemisch in einem stetigen Strome vorbeigeführt und hindurchgedrückt oder -gesaugt wird. Durch die Reibungs- und Strömungserscheinungen werden an den Diffusionswänden Wirbelungen erzeugt und somit ununterbrochen neue Gasschichten an diese herangeführt. Die feste Anordnung ermöglicht zudem, die verschieden durchlässigen Membranen verhältnismäßig dicht nebeneinander anzuordnen, wodurch erreicht wird, daß die Zusammensetzung des Gemisches auch in unmittelbarer Nähe der Wände praktisch nahezu konstant bleibt. Diese Wirkung wird erhöht, indem die Diffusionswände (Rohre usw.) quer zur Richtung des Gasstromes angeordnet werden, so daß die Gase auf diese aufprallen und in Wirbelungen versetzt werden.

Gleichfalls bekannt ist, eine Trennung der' Gase aus Gemischen zu erreichen, indem letztere an festen Diffusionswänden vorbeigeführt werden (vgl. deutsche Patentschrift 192034, Kl. I2e, Gruppe 2, sowie die britische Patentschrift 805 vom Jahre 1906). Die bekannten

- Verfahren sind dadurch charakteristisch, daß das ursprüngliche Gasgemisch nur an gleichartigen Diffusionsflächen vorbeigeführt und durch diese Gas hindurchgesaugt wird, wobei man auf der anderen Seite der Diffusionswand infolge der verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten der verschiedenen Gase ein Gasgemisch von anderer Zusammensetzung erhält als im ursprünglichen Gasstrom. Dieses so gewonnene reduzierte Gasgemisch kann sodann einem zweiten Diffusionsprozeß unterworfen werden und so fort, bis schließlich ein entmischtes Gas von verlangter Beschaffenheit

(z. B. aus dem Gasgemisch [2 H₂ -f CO₂] möglichst reines H₂) erhalten wird.

Dieses Verfahren ist jedoch unwirtschaftlich, was aus folgender Überlegung folgt: Zunächst ist zu beachten, daß bei den Diffusionsvorgängen der einzelnen Gase die Partialdrücke dei Teilgase maßgebend sind. Denkt man sich nun den idealen Fall, daß eine Diffusionsmembrane zur Verfügung stände, welche nur für ein Gas durchlässig wäre, z. B. aus oben erwähntem Gasgemisch für H₂, so folgt für diesen letzteren Fall, wenn das Gemisch unter 1 Atm. Druck steht, der Partialdruck des Wasserstoffes nach dem Daltonschen Gesetz zu..0,67 Atm. Auf der anderen Seite der Membrane müßte also das H₂ abgesaugt werden mit einem Druck, welcher kleiner ist als 0,67 Atm., denn würde der Druck größer sein, so würde — da nach Voraussetzung auf dieser letzteren Membranseite nur reines H₂ sein könnte und mithin der absolute Druck auf dieser Seite im Grenzfalle identisch mit dem Partialdruck des H₂ wäre — eben eine Diffusion in entgegengesetzter Richtung stattfinden. Wird jedoch der Druck auf der Saugseite auf einen niedrigeren Druck als 0,67 Atm. gehalten, z. B. auf 0,5 Atm. abs., so wird in diesem Falle allerdings zunächst eine rege Diffusion einsetzen; hierdurch wird jedoch das ursprüngliche Gasgemisch wasserstoffärmer, der Partialdruck des H₂ also geringer, bis er gleichfalls den Wert von 0,5 Atm. erreicht hat. Das abziehende Gemisch würde sich also aus 50 Prozent H₂ und 50 Prozent CO₂ zusammensetzen, die Ausbeute an Wasserstoff wäre also sehr gering. Um die Ausbeute nun zu vergrößern, müßte das Vakuum auf der .Saugseite der Membrane weiter herabgedrückt werden; hierbei wird aber in bezug auf die Menge des gewonnenen Gases die aufgewendete Energie wesentlich größer, das Verfahren also unwirtschaftlicher. Wenn an Stelle der angenommenen idealen Membrane eine wirkliche tritt, d. h. eine solche, bei welcher auch gewisse Mengen der anderen Teilgase hindurchtreten, so gestalten sich die Verhältnisse insofern noch ungünstiger, als mit fortschreitendem Diffusibnsprozeß die Partialdrücke der anderen Gase steigen, die Diffusionsmengen derselben also immer größer und mithin das gewonnene Gas immer unreiner wird.

Vorliegende Erfindung besteht nun darin, daß statt einer festen Diffusionsfläche zwei oder' mehrere von verschiedener Beschaffenheit bzw. Durchlässigkeit für die verschiedenen Teilgase angeordnet und die verschiedenen Teilgase durch die verschiedenen Membranen gleichzeitig, aber durch getrennte Leitungen abgesaugt werden. Die Größen der Diffusionsflächen wären so zu bemessen, daß sie den durchströmen-, den Gasmengen entsprechen. Bei oben erwähntem Gase wäre also für den idealen Fall, daß eine Membrane zur Verfügung stände, welche nur H₂ durchließe, und eine zweite, welche nur für CO₂ durchlässig wäre, die Größe der letzteren so zu wählen, daß die durchgehende Gasmenge von CO₂ nur das halbe Volumen der diffundierenden H₂ - Gasmenge ausmachen würde. Der Zweck dieser Erfindung ist, im aufzuarbeitenden Gasstrom ein Gemisch von nahezu konstanter Zusammensetzung aufrechtzuerhalten, um so den Arbeitsaufwand trotz der doppelten bzw. mehrfachen Kompressorenanlagen auf ein Minimum zu beschränken und außerdem die Gasausbeute auf ein Maximum zu bringen, die ganze Anlage also in zweifacher Hinsicht wirtschaftlicher zu gestalten. Um die stets gleichartige Zusammensetzung des Gas- ■ gemisches an den verschiedenen Stellen zu sichern, ist es natürlich notwendig, die Diffu-■ sionsflächen entsprechend gleichmäßig verteilt und ohne größere Zwischenräume anzuordnen, was jedoch reine Konstruktionssache ist. Statt der festen Diffusionswände können auch solche aus plastischem Material, z. B. Wachs usw., verwendet werden. Praktische Schwierigkeiten würde die Verwendung solcher Stoffe nicht .weiter bieten, da diese auf poröse feste Materialien in entsprechenden Schichten aufgetragen werden könnten. Das gleiche würde auch von flüssigen Körpern gelten.

Legt man z. B. eine Wasserschicht als Diffusionswand zugrunde, so ist bekanntlich die Durchlässigkeit für verschiedene Gase angenähert proportional dem Absorptionsvermögen des Wassers in bezug auf das betreffende Gas. Hierbei wäre es zweckmäßig, das Wasser bzw. allgemein die Flüssigkeit in Bewegung zu halten, da, wie bekannt, hierdurch der Gasaustausch begünstigt wird. Nach der »Hütte«, 19. Aufl., I. T., S. 280, beträgt z.B. die Löslichkeit des CO₂ in 1,0 m³ Wasser bei o° = 1,96 m³ und bei 20⁰ = 0,98 m³, die des H₂ dagegen entsprechend 0,023 bzw. 0,020 m³; bei o° würde

also bei gleichen Druckverhältnissen und sonst

gleichen Umständen ——— =85,2 mal mehr CO, ^ö 0,023 ^{J 2}

diffundieren als H,, und bei 20 ° immer noch Andererseits würde bei

= Aomal soviel.
0,020 ^^y

einer porösen Diffusionsfläche bei gleichen äußeren Verhältnissen die Diffusionsmenge sich

verhalten H₂ : CO₃ = j/ -^- = 4,69 : 1, da nach Graham (Lehrbuch der Physik von O. P. Chwolson 1902, I. Band, S.517) die Geschwindigkeiten, mit welchen die Gase durch eine poröse Scheidewand diffundieren, proportional dem Drucke, unter welchem sich die Gase befinden, und indirekt proportional der Quadratwurzel ihrer Dichte sind.

Die für praktische Ausführungen zweckmäßigsten Stoffe müßten natürlich erst durch entsprechende Versuchsreihen ermittelt werden, und würde die Auffindung eines besonders geeigneten Stoffes am Prinzip an sich nichts ändern und war die spezielle Anführung obiger Diffusionsflächen (Wasser und poröse Wand) nur als Beispiel angeführt. '

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von Gasgemischen bei gleichzeitiger Verwendung zweier oder mehrerer verschiedenartiger Diffusionsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch an den fest angeordneten Diffusionsflächen vorbeigeführt wird und durch letztere gleichmäßig die Teilgase in verschiedenen Verhältnissen abgesaugt werden.

2. Verfahren zur Trennung von Gasen verschiedener Beschaffenheit nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die Diffusionswände festes, plastisches oder tropfbar flüssiges Material verwendet wird.