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Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gas- oder Gasdampfgemischen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine Steigerung des Wirkungsgrades wird erreicht, wenn man auch das
Absorptionsvermögen des Filtermaterials mit zur Trennung des Mischgases heranzieht.
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Als Ausfübrungsbeispiel sei die Anreicher ung von atmosphärischer
Luft mit Sauerstoff herangezogen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Einstellung, bei welcher wieder Frischluft zutreten kann, zeigt
Abb. 2.
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Der Kolben 2 besteht aus einem metallenen Hohlkörper mit beliebiger
Abdichtung.
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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.
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Diese Anreicherung kann in folgenden hintereinandergeschalteten Kompressoren
eine weitere Vergrößerung bis zu sehr hohen Reinheitsgraden des Sauerstoifess erfahren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Vorrichtung läßt sich auch zur
Trennung teilweise
kondensierter Miscbgase verwenden. Das gasförmige Restprodukt fließt durch das Abzugsrohr
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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.
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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.