DE360280C

DE360280C - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gas- oder Gasdampfgemischen

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Publication number: DE360280C
Application number: DEH79587D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1920-01-11
Filing date: 1920-01-11
Publication date: 1922-09-28

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gas- oder Gasdampfgemischen.
Die Erfindung stützt sich auf die bekannte physikalische Tatsache, daß die Bestandteile von Mischgasen oder verdampften Mischflüssigkeiten poröse oder durchdringliche Stoffe mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchfließen, wenn solche Stoffe, also Filterkörper, Membranen oder Diaphragmen, den Zugang der Mischgase zu einer Stelle niedrigeren Druckes versperren.
Gleiche Unterschiede zeigen die Absorptiionskoeffizienten der Bestandteile von Mischgasen unter Druck in Körpern und Flüssigkeiten von größerem oder geringerem Absorptionsvermögen, z. B. in Holzkohle, Wasser u. dgl.
Es ist wiederholt versucht worden, diese Erscheinungen zur Sonderung von Mischgasen zu benutzen, indes sind befriedigende Ergebnisse nicht erreicht worden, weil die Trennung von Gasen durch Filterung (Dialysierung) oder Verwertung der Absorptionsunterschiede lange Zeiträume und große Oberflächen gebraucht.
Das vorliegende Verfahren umgeht diese Hemmungen dadurch, daß die zu trennenden Mischgase in Pumpen oder Kompressoren abwechselnd verdichtet und entspannt werden, deren Druckkolben aus porösen oder sonst durchlässigen oder halbdurchlässigen (semipermeablen) und gleichzeitig für einzelne Gase absorptionsfähigen Materialien bestehen.
Bei entsprechender Kolbenwandstärke und Tourenzahl des Verdichters werden dann die klischgasebestandteile mit der höheren Molekulargeschwindigkeit in derselben Zeiteinheit durch den Kolben hindurchgetrieben, in welcher die Bestandteile von geringerer Molekulargeschwindigkeit noch ihren Widerstandsweg durch den porösen Kolben verfolgen.
Tritt nun Hubwechsel mit gleichzeitiger Vakuumbildung im Verdichtungsraum des Zylinders ein, so daß vor dem Kolben ein niedrigerer Druck besteht als hinter dem Kolben, so wird das langsamer fließende Gas, das die Grenzwand noch nicht erreicht hat, nach dem Verdichtungsraum zurückfluten bzw. das von der Ahsorptionsmasse unter dem vorgegangenen höheren Druck gefesselte Gas wird wieder frei.
Angenommen, die Kolben stärke des porösen Kolbens sei IO cm, die Durchflußgeschwindigkeit des schneller fließenden Gases in der Zeiteinheit ebenfalls 10com, die des langsamer fließenden 8 cm, so ist beim Ende des Verdichtungshubes das schneller fließende bereits hinter die Kolbenwand in den Raum des niedrigeren Druckes gelangt, während das langsamer fließende - soweit es in, den Filterkolben eingetreten ist seinen Weg gegen den Widerstand der Filterporen noch weiter verfolgen muß.
Der nun folgende Saughub des Kolbens, namentlich wenn er durch Vakuumbildung unterstützt wird, schafft aber im Verdichtungsraum des Zylinders momentan einen noch niedrigeren Druck als den, welcher hinter dem Kolben besteht oder gehalten werden kann. Infolgedessen muß das langsamer fließende Gas ebenfalls dem stärkeren Druckgefälle folgen und zum Verdichtungsraum zurückfluten. Hieraus ergeben sich im Filterkolben eine Reihe von Oszillationen, besonders des langsamer fließenden Gases, so daß dieses vorzugsweise bremsend auf weitere Nachdringlinge namentlich gleicher Gattung wirkt, ohne aber den flüchtigeren Bestandteilen den Durchgang in erheblichem Maße versperren zu können.
Um den günstigsten Wirkungsgrad zu erzielen, müssen Tourenzahl des Verdichters, Hublänge, Kolbendichte und Entspannung des geförderten Gases in bestimmten festen Verhältnissen zueinander stehen, die sich für jede Maschinengröße und jedes Trennmaterial ändern. Diese Verhältnisse lassen sich daher am besten von Fall zu Fall experimentell feststellen; am einfachsten durch Variierung der Tourenzahl und der Enddruckspannung am Auslaßventil des Verdichters, bis das Optimum erreicht ist.
Als geeignetes Filtermaterial dienen Zernentbeton, poröser gebrannter Ton und ähnliches. Membranen und Diaphragmen von geringerer Festigkeit werden zweckmäßig in bekannter Weise zwischen porösen Tonzellen usw. fixiert.
Eine Steigerung des Wirkungsgrades wird erreicht, wenn man auch das Absorptionsvermögen des Filtermaterials mit zur Trennung des Mischgases heranzieht.
Als Ausfübrungsbeispiel sei die Anreicher ung von atmosphärischer Luft mit Sauerstoff herangezogen.
Zur Entziehung des Stickstoffs wird ein Filterkörper mit möglichst hohem Absorptionsvermögen für Sauerstoff verwendet, also beispidsweise mit Wasser getränkte Holzkohle, welche die Füllung des Verdichterkolbens bildet. Nebenbei erwähnt ist dies eine Kolbenfüllung, welche bei einer größeren Anzahl von Mischgasgruppen mit Erfolg anwendbar ist.. Da zwischen dem Absorpt-ionsvermögen der Holzkohle und des Wassers gegenüber Stickstoff und Sauerstoff ebenfalls derartige Unterschiede bestehen, daß der Sauerstoff quantitativ mehr gefesselt wird als der Stickstoff, so wird in der Verdichtungsperiode im Filterkolben auch durch Absorption eine größere Menge von Sauerstoff als von, Stickstoff festgehalten.
Die beim Hubwechsel im Zylinder eintretende plötzliche Druckentlastung hebt aber die Bindung des Sauerstoffs an das Absorptionsmaterial augenblicklich auf. Dieser flutet also jetzt in vermehrtem Maße als der Stickstoff in den Saugraum zurück.
Diese Saugwirkung wird erheblich verstärkt, wenn die Offnung des Saugventils zunächst verzögert wird, so daß das freiwerdende Gas ein Vakuum vorfindet. In Abb. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung ist diese Verzögerung des Eintritts der Frischluft dadurch bewirkt, daß der Filterkolben gleichzeitig als Steuerschieber verwendet wird und die Saugöffnung für die Frischluft erst am Ende des Hubes freigibt. Zu diesem Zwecke ist das Druckventil an das Hubende des Filterkolbens, das Saugventil an den Hubanfang desselben verlegt worden.
Die Abb. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des Verdichters für Sauerstoff anreicherung, ohne daß Wert auf die Gewinnung des abgeschiedenen Stickstoffes gelegt wird. Der Zylinder ist daher rückwärts nicht verschlossen. Der im Zylinder 1 spielende Kolben 2 hat die verdichtete Luft - die beim Verdichtungshub bereits Stickstoff rückwärts durch den Kolben abgegeben hat -durch das Druckventil 3 in das Ableitungsrohr 4 gedrückt. Das Druckventil 3 ist als regelbares Niederdruckventil, ähnlich den Sicherheitsventilen an Dampfkesseln, ausgebildet, damit im Zylinder die Druckspannung des Gases vor dem Ausstoß entsprechend den gemachten Feststellungen für die Gewinnung eines Optimums geregelt werden kann. Das Zuflußrohr für die Frischluft 5 ist zur Zeit durch den als Steuerschieber wirkenden Kolbenmantel verschlossen und öffnet sich erst, nachdem der Rüclkhul) vollendet, also im Verdichtungsraum auf dem ganzen Wege ein sehr niedriger Druck gehalten worden ist.
Die Einstellung, bei welcher wieder Frischluft zutreten kann, zeigt Abb. 2.
Der Kolben 2 besteht aus einem metallenen Hohlkörper mit beliebiger Abdichtung.
Boden und Deckelplatten sind durchlocht, so daß die Abluft in das im Kolbenhohlraum verpackte Filtermaterial bzw. Absorptionsmaterial eintreten kann. Während des Kolbenrückganges ist( dank der plötzlichen Druckentlastung im Absorptionsmaterial des Filterkolbens und dank des geschaffenen Vakuums ein Teil hauptsächlich des dort festgehaltenen Sauerstoffes freigeworden und in den Verdichtungsraum zurückgeströmt. Tritt nun am Hubende mit der Freigabe des Zufluß rohres 5 die Frischluft ein, so diffundiert sie sehr schnell in den schon in dem Zylinder aus dem Absorptionskörper zurückgeflossenen freien Sauerstoff, so daß bei dieser Ausgestaltung des Filterkolbens die Sauerstoffanreicherung der atmosphärischen Luft, schon vor der neuen Verdichtungsphase beginnt und während des neuen Krafthubes weiter fortgesetzt wird.
Diese Anreicherung kann in folgenden hintereinandergeschalteten Kompressoren eine weitere Vergrößerung bis zu sehr hohen Reinheitsgraden des Sauerstoifess erfahren.
Schon in dem bekannten Malletschen Sauerstoffgewinnungsverfahren ist durch abwechselndes Einpressen und Absaugen von Luft in Druckwasserbehälter hochprozenti ger Sauerstoff gewonnen worden. Nur die außerordentliche Verwickdtheit des Malletschen Systems mit seinen doppelten Druck-und Saugpumpen hat seine Einführung verhindert.
Das hier beschriebene Verfahren vereinfacht und verbilligt aber den Abscheidungsprozeß so bedeutend, daß hiermit der sauerstoffbedürftigen Industrie ohne weiteres ein neues, billiges Trennverfahren zur Verfügung gestellt werden kann, welches ohne vorherige Luftverflüssigung arbeitet und deshalb auch in kleineren Betrieben Eingang finden kann.
Die Sauerstoffanreicherung mittels trockener Filterkolben ist mehr dort angebracht, wo mit Sauerstoff angereicherte Luft für Schmelzöfen, Hochöfen, überhaupt für Feuerungen im allgemeinen Verwendung finden soll, weil diese sauerstoffreiche Verbrennungsluft gleich durch die Verdichtung vorerhitzt zum Feuer. geleitet werden kann. ähnlich liegen die Verhältnisse für andere Mischgaszusammensetzungen, z. B. für die Trennung von schwer- und leichtsiedenden Kohlenwasserstoiten, die Abscheidung von Wasserstoffgas aus Wassergas usw. Hierbei kann eine wesentliche Abkürzung des Trennverfahrens stattfinden, wenn die Verdiclffung des Mischgases gleich bis zur Verflüssigung der kondensablen Anteile getrieben wird.
Unter Benutzung der Verdichtungswärme kann die Temperatur des Kondensates im Zylinder auch so hoch gehalten werden, daß sein Lösungsvermögen für Gase ausgeschaltet ist, so daß von den flüchtigeren Bestandteilen nicht so leicht etwas zurückgehalten werden kann. Diese Anordnung führt bereits ins Gebiet der fraktionierten Destillation und gibt der Industrie ein neues Trennwerkzeug in die Hand, welches die sehr komplizierten und oft turmhohen Apparate durch wesentlich einfachere Vorrichtungen ersetzt.
So läßt sich die Spiritusrektifikation nach dem hier beschriebenen Verfahren erheblich vereinfachen. Für die Verdichtung von Gas mit gleichzeitiger Verflüssigung sind bereits gute Kompressorenkonstruktionen vorhanden, welche nur mit dem hier beschriebenen Filter- bzw. Absorptionskolben ausgerüstet zu werden brauchen.
Sind jedoch Mischungen aus Dämpfen und Kondensaten zu sondern, so muß mit Wasserschlägen in der Pumpe gerechnet werden. Um den schädlichen Wirkungen derselben vorzubeugen, ist in Abb. 3 ein Verdichter dargestellt, an dessen Filterkolben 2 ein besonderer Verflüssigungskolben 7 angebaut ist. Dieser ist verschiebbar in einer Büchse 8 angeordnet, in der eine beliebige elastische Federung angebracht ist. Bei der Berührung des Flüssigkeitsspiegels werden damit harte Schläge vermieden. Das gewonnene Kondensat wird durch das Druckventil 3 abgeführt.
Diese Vorrichtung läßt sich auch zur Trennung teilweise kondensierter Miscbgase verwenden. Das gasförmige Restprodukt fließt durch das Abzugsrohr 6.
Bei der Wahl und bei der Zusammensetzung des Filter- und Absorptionsmaterials ist noch zu berücksichtigen, daß nicht nur die Gase untereinander verschiedene Durchdringungs- und Absorptionskoeffizienten haben, sondern daß sich auch das Trennmaterial voneinander durch Verschiedenheit des Durchdringungs und Absorptionsindex unterscheidet. Es lassen sich daher für bestimmte Sonderfälle, an denen namentli-ch die chemische Industrie interessiert ist, auch Zusammensetzungen spezifisch verschieden stark wirkender Trennmaterialien kobinieren, ähnlich wie man beispielsweise in der Optik Platten verschiedener Lichtbrechung, z. B. Crownglas und Flintglas, zusammensetzt, um bestimmte Wirkungen zu erzielen.
Die gleichen Trennergebnisse werden auch erzielt, wenn man den Kolben oder Druckstempel fest anordnet und dagegen den Zylinder zum bewegten Teil macht. Die Kühlung der Verdichter kann in beliebiger bekannter Weise erfolgen, es ist daher von der zeichnerischen Darstellung von Kühlvorrichtungen abgesehen.

Claims

PATENT-ANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Treenen von Gas-oder Gasdampfgemischen unter Benutzung der verschiedenen Dialysiergeschwindigkeit und Absorptionsfähigkeit der einzelnen Gase, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu trennende Gemisch in Druckgefäßen, deren Druckkolben aus durchlässigen und gleichzeitig für einen Gasbestandteil absorp tionsfähigen Stoffen bestehen, verdichtet und nach Abführung der durch den Druckkolben gegangenen Gemischteile, den absorbierten Gasteil, gegebenenfalls durch Absaugen, entfernt, worauf man neues Gasgemenge in geregelter Wiederkehr diesen Operationen unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Verdichtungsperiode so bemessen wird, daß die Gasbestandteile von höherer Molekulargeschwindigkeit die durchlässigen Wandungen schon zum Teil passiert haben können, während die Gase von niederer Molekulargeschwindigkeit im wesentlichen noch ihren Widerstandsweg durch die durchlässigen Wandungen verfolgen müssen bzw. von dem absorbierenden Körper in größerem Maße fest.-gehalten sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Gasgemische bis zur teilweisen oder gänzlichen Verflüssigung der kondensierbaren Anteile getrieben wird, um den Trennungsvorgang abzukürzen und mit der Abscheidung eine R'ektifizierung zu verbinden.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben der zur Verdichtung dienenden Pumpen oder Kompressoren aus für Gase und Dämpfe durchlässigem und für mindestens einen der Gasbestandteile absorptionsfähigem Material bestehen oder damit ausgefüttert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung mittels bewegter Zylinder oder Druckgefäße geschieht, in welchen ruhende Kolben, Druckstempel, Membranen oder Diaphragmen angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Saughubes die Öffnung des Saugventils oder die Freigabe des Einströmungs-oder Zufluß rohres mittels beliebiger mechanischer Vorrichtungen verzögert werden kann, um im Verdichtungsraum der Pumpe 0. dgl. zunächst Unterdruck zu erzeugen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einströmungsrohr am Hubende der Druckkolbenfläche angeordnet ist, so daß seine Freigabe durch den vorbeigleitenden, hier auch als Steuerschieber dienenden Druckkolben erst bei Abschluß des Saughubes erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Baumaterial des Kolbens aus Schichten von verschiedenen Durchdringungs- bzw. Absorptionsvermögen zusammengesetzt bzw. damit gefüttert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Filterkolben ein eIastisch verschiebbarer Druckkolben angebaut ist, um bei der teilweisen Verflüssigung von Gemischbestandteilen die Nachteile etwaiger Flüssigkeitsschläge im Zylinder auszuschalten.