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Verfahren und Vorrichtung zum Trennen der Bestandteile eines Gasgemisches.
Bekanntlich kann man mittels Diffusion durch feste Wände oder Kapillaren eine Trennung
der Bestandteile eines Gasgemisches herbeiführen. Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren, eine solche Trennung mittels Diffusion nach einer ganz neuen Methode
zu, erzielen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß man ein Gasgemisch
in ein mit bestimmter Geschwindigkeit strömendes Gas oder einen strömenden Dampf
(im weiteren mit »Hilfsgas« bezeichnet) diffundieren läßt, welche sich von dem zu
trennenden Gas oder den zu trennenden Gasen abscheiden lassen. Infolge des Unterschiedes
der Diffusionskoeffizienten der Komponenten des Gasgemisches wird nun die Konzentration
jeder dieser Komponenten im Hilfsgasstrom einen ganz verschiedenen Verlauf zeigen.
Es entstehen Stellen, wo die Konzentration einer bestimmten Komponente, z. B. der
am schnellsten diffundierenden, relativ viel größer ist als diejenige der anderen
langsamer diffundierenden Komponente oder Komponenten.
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Leitet man von solch einer Stelle die dort anwesende Gasfraktion fort,
dann erhält man ein Gemisch von strömendem Hilfsgas mit der in Frage kommenden nahezu
reinen Komponente. Trennt man das Hilfsgas und diese Fraktion voneinander mittels
Kondensation oder auf anderem, z. B. chemischem Wege, dann erhält man schließlich
die abgeschiedene Komponente des ursprünglichen Gasgemisches nahezu rein. An anderen
Stellen des Hilfsgasstroms wird die Konzentration einer zweiten Komponente überwiegen,
und es ergibt sich die Möglichkeit, ein Gemisch, das mit dieser Komponente angereichert
ist, von solch einer Stelle fortzuleiten.
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Der Verlauf des Verfahrens im einzelnen hängt einmal von der Strömungsgeschwindigkeit
auf dem Wegteil ab, wo hauptsächlich der Diffusionsvorgang erfolgt (dieser Wegteil
soll nachstehend als »Diffusionsbahn« bezeichnet werden), und zweitens von der Länge
dieses Wegteils und von dem Winkel, den er mit der Strömungsrichtung des Hilfsgases
bildet.
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Bei bestimmten geometrischen Dimensionen hängt die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit
des Hilfsgases von der Zusammensetzung des Gasgemisches und vom gewünschten Resultat
ab. Um eine möglichst große Ausbeute zu erreichen, empfiehlt es sich, die geometrischen
Verhältnisse so zu wählen, daß mit möglichst großer Strömungsgeschwindigkeit gearbeitet
werden kann. Falls die Diffusion in der Richtung gegen den Gasstrom erfolgt, bedeutet
dies gleichzeitig eine möglichst kleine Länge der Diffusionsbahn.
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Das Verfahren läßt sich gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Vorrichtung
ausführen, die mit einem Gefäß versehen ist, an das Zu-und Abführungsleitungen für
den Hilfsgasstrom, für das zu trennende Gasgemisch und für die durch Diffusion getrennten
Gase angeschlossen sind, während außerdem noch eine Vorrichtung zur Kondensation
oder
chemischen Bindung des strömenden Hilfsgases oder der Komponenten
des Gasgemisches angebracht ist.
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Die Einrichtung ist noch mit Vorrichtungen zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit
oder der Länge der Diffusionsbahn oder von beiden versehen, welche wie die Vorrichtung
zur Trennung des strömenden Hilfsgases von den Gaskomponenten und weitere Hilfsvorrichtungen
auf mannigfaltige Weise ausgeführt werden können, deren nähere Beschreibung sich
erübrigt.
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Ordnet man z. B. die Zu- und Abfü_hrungsleitungen derart in bezug
aufeinander an, daß die Gaskomponente mit der größten Diffusionskonstante gegen
den Hilfsgasstrom diffundiert, dann kann man die Verhältnisse so wählen, daß nur
diese Komponente dazu imstande ist, die anderen aber vom Strom mitgenommen werden
und somit in die etwa vorhandene Kondensationsvorrichtung gelangen, während die
herausdiffundierte Komponente von einer Stelle relativ größerer Konzentration fortgeführt
und alsdann vom strömenden Hilfsgas befreit wird.
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Was unter einer Stelle relativ .größerer Konzentration zu verstehen
ist, sei durch folgendes Beispiel näher erläutert: Wenn von einer Mischung von Helium
und Neon ausgegangen wird, die z. B. 99 Prozent Helium enthält, so wird, nachdem
die Diffusion stattgefunden hat, die Gasmischung z. B. aus z Prozent Helium, 0,5
Prozent Neon und 97,5 Prozent Wasserstoff bestehen. Die Konzentration des Neons
im Gesamtgemisch ist dann von r Prozent auf 0,5 Prozent zurückgegangen; relativ
jedoch hat die Konzentration des Neons zugenommen.
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Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist
schematisch in der Zeichnung wiedergegeben, wobei vorausgesetzt ist, daß man die
zu trennenden Gase. in Wasserdampf diffundieren läßt.
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Die Vorrichtung besteht hauptsächlich aus drei Teilen, einem Wassergefäß
W, einem Diffusionsgefäß D und einem Kondensationsgefäß C, welche in der in der
Zeichnung angegebenen Ausführung miteinander verbunden sind.
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Die drei Gefäße W, D und C sind von Wassermänteln umgäben, die gestatten,
sie auf bestimmte regelbare Temperaturen zu bringen. Die Temperatur in W soll höher
sein als diejenige in D und C. Der in W
entwickelte Wasserdampf strömt
durch eine Kapillare a in den oberen kugelförmigen Teil von D mit einer von der
Temperatur abhängigen Strömungsgeschwindigkeit.
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Die Temperaturen von D und C sind so geregelt, daß ein Teil des Wasserdampfes
in D und ein Teil in C kondensiert wird. In D mündet ein trichterförmiges Rohr h
aus, dergestalt, daß zwischen der Wand des Trichters und der Wand von D auf einer
Strecke Z ein enger Raum g übrigbleibt, durch welchen der Wasserdampf strömen muß.
Dieser Weg l bildet in diesem Falle die »Diffusionsbahn«. Indem man das Rohr h in
vertikaler Richtung verschiebbar gestaltet, kann man die Länge der Diffusionsbahn
innerhalb gewisser Grenzen ändern. Wenn man das Rohr h z. B. hinaufschiebt, verringert
man die Strecke 1, indem jetzt das sich erweiternde untere Ende des Rohres lt teilweise
in den oberen kugelförmigen Teil von D hineinragt. l ist die Länge
der Diffusionsbahn, nicht ein Teil des Rohres h. Läßt man nun durch dieses Rohr
h in das Gefäß D ein Gasgemisch treten, dessen Gesamtdruck nicht größer ist als
der Dampfdruck des Wassers in W, dann diffundiert von diesem Gemisch ein Teil gegen
den Wasserdampfstrom und gelangt so in den oberen Teil von D und mit dem durch ein
Rohr b strömenden Wasserdampf nach C. Die Zusammensetzung dieses Teiles ist abhängig
von den Diffusionskonstanten der Komponenten des Gemisches. Leitet man also durch
b ein Gemisch von zwei Gasen mit verschiedenen Diffusionskonstanten, dann wird bei
geeigneter Wahl der Geschwindigkeit des Wasserdampfes praktisch nur das Gas mit
größerer Diffusionskonstante- imstande sein, gegen den Wasserdampf zu diffundieren,
während das andere Gas fast vollkommen zurückbleibt. Auf diese Weise kann man eine
beinahe vollständige Trennung der Gase herbeiführen. Das nach C gelangte Gas strömt
mit einem Teil des Wasserdampfes durch eine sehr enge Kapillare f in einen evakuierten
Raum h, wo der Wasserdampf etwa mittels flüssiger Luft ausgefroren wird, und alsdann
in ein Gefäß, wo sich das abgesonderte Gas nahezu rein auffangen läßt. Die Kapillare
f hat den Zweck, der Strömung den nötigen Widerstand zu bieten und zu verhindern,
daß wegen des großen Druckunterschiedes in C und V die Strömungsgeschwindigkeit
zu stark anwächst. Die andere Komponente kann durch eine besondere Ableitung k fortgeleitet
werden und genau so wie die erste Komponente vorn Wasserdampf getrennt werden. Die
Zuleitung h und die Ableitung k sind gleichfalls mit Kapillaren versehen.
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Ist die bei k abgetrennte Komponente noch nicht genügend rein, so
kann man sie mit Hilfe einer Umlaufvorrichtung noch einmal durch h strömen lassen
und einer erneuten Diffusionswirkung unterziehen, bis diese Komponente die gewünschte
Reinheit erhalten hat.
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Die ganze Vorrichtung außer dem Gefäß V befindet sich in einem Raum,
in dem die
Temperatur etwas höher gehalten wird als im Wassergefäß.
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Die Form und gegenseitige Stellung der verschiedenen Teile der Vorrichtung
können auf mannigfaltige Weise abgeändert werden, ebenso auch die Verfahren zur
Regelung cler Strömungsgeschwindigkeit oder der Länge der Diffusionsbahn.
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Auch ist es nicht wesentlich, daß in der Diffusionsbahn eine der Komponenten
unter einem Winkel von i8o° gegen den Hilfsgasstrom diffundiert; man kann auch mit
viel kleineren Winkeln sehr günstige Ergebnisse erhalten. Ferner ist es nicht notwendig,
daß der Hilfsgasstrom und das strömende Gasgemisch einander in der im Beispiel beschriebenen
Weise treffen oder daß die Diffusionsbahn gerade die Form einer engen Spalte hat.
Es wäre sogar möglich, daß die Diffusion durch eine poröse Wand erfolgte. Im letzteren
Fall kann man z. B. das Hilfsgas unter höherem Druck durch ein poröses Rohr hindurchführen,
das von einem Gemisch von z. B. zwei Gasen umgeben ist. Das Hilfsgas strömt durch
die poröse Wandung hinaus; regelt man nun den Druck des Hilfsgases so, daß die am
schnellsten diffundierende Komponente des Gasgemisches gerade imstande ist, durch
die poröse Wandung hineinzudiffundieren, während die am langsamsten diffundierende
Komponente daran verhindert wird, so läßt sich die Trennung des Gasgemisches erzielen.
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Anstatt des Wasserdampfes kann auch ein anderes Hilfsgas verwendet
werden, wenn es nur von den zu trennenden Gasen abgeschieden werden kann.
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In manchen Fällen wird es wünschenswert oder notwendig sein, mehrere
Apparate hintereinander zu schalten, damit das gewünschte Gas am Ende der Reihe
sich in nahezu reinem Zustande abscheiden läßt.