DE488245C - Vorrichtung zur Trennung von Gasgemischen durch fraktionierte Diffusion - Google Patents

Description

Es sind bisher verschiedene Apparate bekannt, durch die mit Hilfe der fraktionierten Diffusion ein Gasgemisch in die Einzelgase getrennt werden kann. In der ersten Zeit benutzte man bei diesen Verfahren als Hilfsmittel poröse Wände, durch welche die Diffusion vor sich ging, während in neuerer Zeit hierzu der sogenannte Diffusionsspalt in Verbindung mit Hilfsgas verwendet wird.

Durch eine poröse Wand geht die Diffusion außerordentlich langsam vor sich, da die Summe der Querschnitte der kapillaren Öffnungen sehr klein ist. Wenn man nun größere Mengen von Gasgemischen aufzuarbeiten hat, so muß die Anlage dementsprechend große Abmessungen erhalten, ihre Anschaffungskosten werden hoch, und die Wirtschaftlichkeit bleibt gering. Bei sämtlichen Verfahren, die als Diffusionsmittel poröse Wände benutzen, treten außerdem bald

ao nach Beginn des Arbeitsganges physikalische Erscheinungen auf (Sinken des Partialdruckes des einen Gases), die die Leistung weiterhin sehr stark herabdrücken oder aber weitere umfangreiche und kostspielige Apparate zu ihrer Beseitigung verlangen.

Zur Vermeidung der genannten Mängel suchte man deshalb ein anderes Diffusionsmittel und fand es im Diffusionsspalt in Verbindung mit Hilfsgas (s. schweizerische Patentschrift 104 786 und britische Patentschrift 196560). In der Tat können diese Apparate ein Vielfaches der älteren Vorrichtungen bei wesentlich kleineren Abmessungen leisten, da der Querschnitt des Diffusionsspaltes unter bestimmten Bedingungen verhältnismäßig sehr groß gehalten werden darf. Trotzdem leisten die bisher bekannten Vorrichtungen, welche nach diesem Verfahren arbeiten, nicht im entferntesten das, was nach der theoretischen Überlegung möglich ist. Der Grund für diese Erscheinung liegt darin, daß die hierbei zu berücksichtigenden physikalischen Vorgänge noch nicht klar erkannt sind. Die Schwierigkeiten, die bei diesem Verfahren auftreten, liegen darin, daß einerseits die unerwünschte Rückdiffusion des Hilfsgases in das Gemisch unbedingt vermieden werden muß, da sonst das physikalische Gleichgewicht gestört und durch den u. U. mit der Rückdiffusion verbundenen Verlust des HiJfsgases die Wirtschaftlichkeit stark herabgesetzt wird. Andererseits bestehen sie darin, die physikalischen Bedingungen so zu schaffen, daß tatsächlich eine vollkommene Trennung der Gase erzielt wird und nicht nur, wie es bei den bisher bekannten Apparaten der Fall ist, eine Anreicherung an dem einen Gas.

Die vorliegende Erfindung, die ebenfalls Diffusionsspalt und Hilfsgas benutzt, will auf Grund richtiger Erkenntnis der physikalischen Vorgänge einen Apparat zur fraktionierten Diffusion angeben, durch den eine praktisch vollkommen reine Trennung eines Gasgemisches, bestehend aus beliebig vielen Gasen, in einem einzigen Arbeitsgang erzielt wird.

Um zu verhindern, daß eine unerwünschte Rückdiffusion des Hilfsgases in das zu trennende Gemisch stattfindet, müssen die Trennungswände, welche die Zuleitung des Dampfes (Gases) zu dem das Gemisch enthaltenden Behälter sperren, so feine öffnungen frei lassen daß ihre Weite die freie Weglänge der Gasmoleküle größenordnungsweise nicht überschreitet. Dies ist die physikalische Definition ίο des Diffusionsspaltes, die Gaede in der Zeitschrift für technische Physik 1923, Heft 10 und folgende, in der Arbeit über die Diffusionsluftpumpe gegeben hat. Genau wie bei der Diffusionsluftpumpe muß diese Bedingung auch bei der Vorrichtung zur fraktionierten Diffusion erfüllt sein, was jedoch bei den bisher bekannten Apparaten nicht der Fall ist.

Würde man nun, ohne besondere Vorkehrungen zu treffen, ein Gasgemisch an diesem Diffusionsspalt vorbeiströmen lassen, so würde zwar nach dem Diffusionsgesetz das spezifisch leichtere Gas schneller in das Hilfsgas diffundieren wollen als das spezifisch schwerere. Es wäre hierzu aber nur in ganz verschwindendem Maße imstande, da ihm die Moleküle des spezifisch schwereren Gases im Wege sind. In dem Gemisch liegt Molekül neben Molekül, so daß die Moleküle des spezifisch leichteren Gases auf ihrem Wege zum Diffusionsspalt fortwährend mit denen des spezifisch schwereren zusammenprallen. Als Folge hiervon werden die zusammengeprallten Moleküle, die den größten Teil ausmachen, entweder am Spalt vorbeikommen, oder beide geraten hinein, d. h. die beabsichtigte Trennung findet nicht statt, sondern es ergibt sich günstigstenfalls nur eine Anreicherung an dem einen Gas.

Um eine für praktische Zwecke als vollkommen zu bezeichnende Trennung in einem Arbeitsgang zu erzielen, muß demnach dieses Zusammenprallen der einzelnen Moleküle verhindert werden. Dies ist nur dadurch möglich, daß man das Gemisch nicht aus einer beliebigen Öffnung ausströmen läßt, sondern die Ausströmöffnung muß genau wie der eigentliche Diffusionsspalt eine solche Weite haben, daß sie die freie Weglänge der Gasmoleküle größenordnungsweise nichtüberschreitet. Außerdem aber müssen Diffusionsspalt und Ausströmspalt eine solche Lage und eine solche Entfernung voneinander haben, daß Ausströmgeschwindigkeit und Diffusionsgeschwindigkeit, bezogen auf die Einzelgase des Gemisches, sich zu (divergierenden) Resultanten zusammensetzen, deren Richtung nur nach den Auffangöffnungen der betreffenden Einzelgase geht. An Hand der Zeichnungen sei der Vorgang näher erläutert.

Abb. ι stellt den Schnitt durch einen Apparat dar, mit dem ein Gemisch aus nur zwei Einzelgasen getrennt werden soll, während Abb. 2 den Schnitt für den Apparat darstellt, wenn er zur Trennung eines Gemisches, bestehend aus drei Gasen, verwendet werden soll.

Im Rohr α wird durch die beiden kurzen Rohre b und c der Diffusionsspalt d gebildet, während i den oben definierten Ausströmspalt darstellt. Das Gemisch wird durch das Rohr e zugeführt, und zwar mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit.

Es soll nun z. B. die Luft, bestehend in erster Annäherung aus Stickstoff und Sauerstoff, getrennt werden. Die aus dem Spalt i ausströmenden und am Spalt d vorbeischießenden Moleküle werden durch d in den auf der Innenseite von d vorbeiströmenden Dampf diffundieren wollen, sie werden also unter der Wirkung der Diffusionskraft eine Geschwindigkeit erreichen, die, wenn sie in den Spalt gelangen sollen, bei der gezeichneten Anordnung horizontal gerichtet ist. Diese Horizontalgeschwindigkeit ist aber bei den Molekülen des spezifisch leichteren Stickstoffes größer als die des spezifisch schwereren Sauerstoffes. Die vertikal gerichtete Ausströmgeschwindigkeit und die horizontal gerichtete Diffusionsgeschwindigkeit setzen sich nun zu je einer Resultante zusammen, die beim Stickstoff infolge der einen größeren Komponente flacher wird, während sie beim Sauerstoff steiler bleibt. Die Entfernung des unteren Randes von i vom unteren Rand von d muß nun so groß sein, daß die Resultante des Stickstoffes genau in den Spalt d trifft, während die des Sauerstoffes nicht mehr hineinkommt. Der nach d diffundierende Stickstoff wird nach Kondensation des Hilfsdampfes bei g durch f fortgeführt, während der nachk gelangende Sauerstoff durchA abströmt. Der Querschnitt von f und h und die Leistung der daselbst angeschlossenen Pumpen ist dem Verhältnis der Einzelgase entsprechend zu bemessen, um Stauungen und damit Störungen des ganzen physikalischen Gleichgewichtes zu vermeiden.

Abb. 2 zeigt denselben Apparat, lediglich mit dem Unterschied, daß er zur Trennung eines Gemisches, bestehend aus drei Gasen, zu verwenden ist. Die Bezeichnungen gelten wie bei Abb. 1; die physikalischen Vorgänge sind ebenfalls genau wie die beim ersten Apparat. Es soll z. B. mit diesem Apparat ein Gemisch, bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, aufgearbeitet werden. Es ist dann außer der Auffangröhre k noch eine zweite, I, vorgesehen, aus der das Gas durch das Ausströmrohr m weggeführt wird. Der Wasserstoff diffundiert in diesem Falle nach d, der Stickstoff nach k und der Sauerstoff nach m. Entsprechend weitere Auffangröhren sind dann hinzuzufügen, wenn das Gemisch aus mehr als drei Gasen besteht.

Claims (1)

1. Patentanspruch :

   Vorrichtung zur Trennung von Gasgemischen durch fraktionierte Diffusion unter Verwendung eines Hilfsgases (Dampfes) und eines Diffusionsspaltes, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus einer Öffnung ausströmt, deren Weite die freie Weglänge der Gasmoleküle größenordnungsweise nicht überschreitet, wobei dieser Ausströmspalt eine solche Lage zum Diffusionsspalt erhält und das Gemisch aus diesem Spalt mit einer solchen Geschwindigkeit ausströmt, daßAusströmgeschwindigkeitundDiffusionsgeschwindigkeit, bezogen auf die Einzelgase, sich zu je einer Resultante zusammensetzen müssen, die voneinander divergierend nur in die jedem Gas zugeteilten öffnungen gerichtet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen