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Verfahren zum Zerlegen von Gasgemischen durch thermische Diffusion
Wenn man in einem Gasgemisch eine Temperaturdifferenz aufrechterhält, dann tritt
eine geringfügige Verschiebung der Zur am mensetzung des Gemisches an den Stellen
verschiedener Temperatur ein (Chapman, Phil. Trans. 2I7A, I24, I8I (1917), Chapman
und Hainsworth, Phil. Mag. 48, 593 (I924), Enskog Inaug. Diss Upsala I9I7).
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Der Absolutwert dieser Konzentrationsänderungen ist selbst bei erheblichen
Temperaturdifferenzen sehr gering.
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Man hat trotzdem schon vorgeschlagen, diesen Effekt zu benutzen,
um die Edelgase Krypton und Xenon aus Gasgemischen abzuscheiden. Zu diesem Zweck
wurde das Gasgemisch von oben nach unten durch ein Rohr mit radialem Temperaturgefälle
geleitet und am Ende des Rohres an der kalten Wand das an schweren Edelgasen angereicherte,
an der heißen Wand dagegen das verarmte Gemisch abgezogen. Hierbei gelang es in
sieben hintereinandergeschalteten Diffusoren den Gehalt an Krypton im Argon von
o,I% auf auf I% zu erhöhen.
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Im Vergleich mit anderen Zerlegungsverfahren ist diese Wirkung so
gering, daß die thermische- Diffusion als Trennverfahren bisher keine praktische
Anwendung gefunden hat. Hierbei ist auch noch zu berücksichtigen, daß bei Argon
und Krypton infolge des großen Unterschiedes im Atomgewicht verhältnismäßig starke
Effekte eintreten.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung
von Gasgemischen, weIches die thermische Diffusion benutzt, jedoch einen Wirkungsgrad
hat, der den der bekannten Vorschläge um viele Größenordnungen übersteigt. Die an
sich geringe Wirkung der thermischen Diffusion wird dadurch wesentlich gesteigert,
daß das
zu zerlegende Gasgemisch einem Temperaturgefälle ausgesetzt
und gleichzeitig derart bervegt wird. daß das durch thermische Diffusion an einem
Bestandteil angereicherte bzw. verarmte Gemisch unter gleichzeitiger \\7ir kung
der thermischen Diffusion in Gegenstromaustausch zu einem stetig an diesem Bestandteil
reicheren bzw. ärmeren Gemisch kommt. Diese Gegenstromführung wird vorzugsweise
durch konvektive Thermosiphonwirkung erzieit.
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Das neue Verfahren wird nachstehend fiir ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert: In Abb. I ist schematisch eine N7orrichtung dargestellt, welche
grundsätzlich zur Durchführung der neuen Arbeitsweise geeignet ist.
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Sie besteht aus zwei konzentrischen Rohren I und 2, von denen beispielsweise
das innere I geheizt und das äußere 2 gekühlt wird, rvodureh eine Temperaturdifferenz
in dem Ringraum zwischen r und 2 aufrechterhalten wird.
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Durch Rohr 3 wird ein Gasgemisch eingefüllt. Der Einfachheit halber
werde angenommen, daß es sich um ein Gemisch aus zwei Komponenten, wie z. B. Sauerstoff-Stickstoff-Gemische,
handelt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Rohren I und 2 wird nun unter senkrechter
Stellung der Vorrichtung eine Zeitlang, z. B. I Stunde, aufrechterhalten. Es treten
dann folgende Vorgänge ein: Die Thermodiffusion bewirkt, daß sich ein Konzentrationsgefälle
in radialer Richtung ausbildet. und zwar reichert sich das schxverere Molekül am
äußeren, das leichtere an der inneren Begrenzung des Ringraumes zwischen den Rohren
I und 2 an. Gleichzeitig bedingt nun die Erwärmung, daß das in der Sähe des Rohres
I befindliche Gas nach oben strömt, während das kalte Gas an der wand 2 nach unten
sinkt. Hierdurch wird in einfachster Weise die Kombination von thermischer Diffusion
mit Gegenstromwirkung gemäß der Erfindung erzielt. Das Gasgemisch, welches z. B.
im Punkte 4 nur geringfügig an schlverem Bestandteil verarmt ist, steigt an dem
Rohr I entlang nach oben bis es an die obere Begrenzung gela,ngt, an der es nach
außen umgelenkt wird, um an der äußeren Wandung abzusinken. Auf diesem Wege kommt
das aufsteigende Gas stetig mit einem Gemisch in Austausch, welches an schwerem
Bestandteil ärmer ist als das Gemisch, mit dem es im Punktes bei den vorhandenen
Temperaturdifferenzen im Gleichgewicht stand. t~mgekehrt sinkt das an der Wandung
des äußeren Rohres 2 vorhandene, an schrverem Bestandteil reichere Gemisch ab, wird
am unteren Rohrende nach innen und oben abgelenkt und kommt so mit einem Gemisch
in Austausch, welches ebenfalls stetig reicher an schwerem Bstandteil wird als das
Gemisch im Punkt A.
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Die Vorgänge in dem Trennapparat ent-*sprechen also denjenigen beim
Betrieb einer gesehlossenen Rektifikationssäule, wie sie z. B. im Chemie-Jngenieur,
Bd. I, 3. Teil.
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S. I20 iLf., beschrieben sind. Der Unterschied besteht darin, daß
bei der Rektifikation eine Flüssigkeit mit einem Gas in Austausch kommt und der
Austausch selbst durch Inberührungbringen von Flüssigkeit und Gas erfolgt, während
im vorliegenden Fall zwei Gasarten in Gegenstromaustausch gebracht werden und die
Zerlegung durch die thermische Diffusion bedingt wird.
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Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die Wirkung der thermischen
Diffusion grundsätzlich in gleicher Weise verstärkt werden kann wie die Wirkungen
der Rektifikation. Die sich nach einer bestimmten Zeit an den beiden Enden der in
Abb. I beispielsweise dargestellten Vorrichtung einstellenden Konzentrationsunterschiede
hängen also von der Länge derVorrichtung in ähnlicher Weise ab wie die Konzentrationsunterschiede
an den beiden Enden einer geschlossenen Rektifikationssäule von der Anzahl der Rektifikationsböden
bzw. der Höhe der Rektifikationssäule.
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Wesentlich ist hierbei. daß die beiden miteinander in Austausch tretenden
Gasströme auch tatsächlich ungestört aneinander vorbeigleiten, ohne daß durch Turbulenz
eine Ätermischung der beiden Gasarten in radialer Richtung eintritt. Zu diesem Zweck
mud, dic Breite des Ringraumes zwischen den Rohren I und 2 entsprechend den Temperaturdifferenzen
zwischen den beiden Rohren und dem Druck des Gases derart gewählt werden, daß in
erster Näherung laminare Strömungsverhältnisse herrschen.
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Bei Erhöhung der Temperaturdifferenz und des Gasdruckes muß der Ringraum
verkieinert werden, da die Neigung zur Bildung von Wirbeln hierduréh erhöht wird,
während umgekehrt eine Senkung der Temperatur oder des Druckes wieder eine Verbreiterung
des Ringraumes ermöglichen.
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Die Durchführung des neuen Verfahrens ist in keiner Weise an eine
bestimmte geolnetische Form der Trennvorrichtungen oder an ein bestimmtes Temperaturbereich
gebunden. Man kann das neue Verfahren grundsätzlich auch an zwei einander gegenüberstehenden
Platten bzw. Profilen verschiedener Temperatur ausführen. Die miteinander in Austausch
tretenden Gasströme branchen auch nicht immer in senkrechter Richtung gegeneinandergeführt
zu werden, sofern nur eine Vermischung der beiden Gas
arten ausgeschlossen
wird. So z. B. läßt sich das neue Verfahren auch in schräg gestellten bzw. in schrägen
Spiralen angeordneten Hohlräumen durchführen, deren Oberseite eine höhere Temperatur
als die Unterseite aufweist. Bei dieser Ausführungsform lassen sich große Längen
der Trennvorrichtung auf verhältnismäßig kleinem Raum unterbringen.
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Die neue Arbeitsweise wurde voranstehend für eine Ausführungsform
näher erläutert, welche dem Fall einer geschlossenen Rektifikation entspricht. Sie
läßt sich in gleicher Weise analog allen anderen Rektifikationsarten, insbesondere
analog der kontinuierlichen Rektifikation, und auch zur Zerlegung von Mehrstoffsystemen
verwenden.
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Wenn man z. B. ein Zweistoffsystem kontinuierlich in seine Bestandteile
zerlegen will, dann führt3man, sobald in der Vorrichtung nach Abb. I der Beharrungszustand
erreicht ist, kontinuierlich weiteres Gemisch über das Ventil 3 an einer Stelle
in die Vorrichtung ein, in welcher die mittlere Konzentration gerade der Konzentration
des Ausgangsgemisches entspricht. Bei Ventil 4 wird dann der leichtere Bestandteil,
bei 5 der schwerere entnommen.
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In Abb. 2 ist schematisch eine mehrstufige Durchführung des neuen
Verfahrens dargestellt. I0, II, 12 und I3 sind z. B. Vorrichtungen, wie sie in Abb.
I näher dargestellt sind. C sind die warmen, D die kalten Rohre. Das Ausgangsgemisch
wird jeder Trennvorrichtung an derjenigen Stelle zugeführt, an der im Beharrungszustand
die von zentration des zugeführten Gemisches vorhanden ist. Die in Abb. 2 dargestellte
Kolonne kann zur beschleunigten Abscheidung des schweren Bestandteils eines Zweistoffsystemes
dienen. Wenn der abzuscheidende Bestandteil im Ausgangsgemisch nur in geringer Menge
vorhanden ist, kann man eine größere Anzahl Trennvorrichtungen in der ersten Trennstufe
parallel wirken lassen und das in ihnen gewonnene angereicherte Gemisch in einer
geringeren Anzahl höherer Stufen weiter anreichern. Die Kolonne nach Abb. 2 läßt
sich jedoch auch zur Zerlegung eines Mehrstoffsystems verwenden. In der Vorrichtung
10 wird dann z. B. bei 15 der leichteste Bestandteil des Gemisches abgezogen, bei
I6 der nächst schwerere usw., während bei 19 der schwerste Bestandteil anfällt.
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Durch die neue Arbeitsweise wird die Wirkung der thermischen Diffusion
derartig erhöht, daß man nicht nur die Trennung von Gasgemischen mit erheblichem
Dichteunterschied, wie Krypton und Argon, durchführen kann, sondern sogar Isotope
in verhältnismäßig kurzer Zeit in weitgehender Reinheit voneinander zu trennen vermag.
So z. B. gelang es in einem einzelnen Trennrohr aus normalem Ne, das zu 9010 aus
Ne22 und gIOI aus Ne20 besteht, also das Atomgewicht 20,I8 besitzt, 50 ccm Ne vom
Atomgewicht wo,61 abzuscheiden, so daß ein Gemisch mit 3401 Nie22 vorlag.
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Das neue Verfahren ist weiterhin besonders in den Fällen von Bedeutung,
in denen Rektifikationsverfahren versagen, also beispielsweise bei der Trennung
azeotropischer Mischungen.
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Ein bekanntes Verfahren zum Trennen der Bestandteile eines Gasgemisches
durch Diffusion besteht darin, daß man das Gemisch in ein mit bestimmter Geschwindigkeit
strömendes Hilfsgas hineindiffundieren läßt, welches von dem zu trennenden Gas oder
von den zu trennenden Gasen äbgeschieden werden kann, und daß man die in das strömende
Hilfsgas diffundierten Komponenten zusammen mit dem Hilfsgas an Stellen fortleitet
wo die Konzentration der abzuscheidenden Komponenten relativ zu der der anderen
Komponenten des Gemisches groß ist. Ein anderes bekanntes Verfahren zur Trennung
von Gasgemischen bedient sich eines dampfförmigen Diffusionsmittels in der Weise,
daß der Dampf an der Diffusionsstelle erzeugt wird. Im Gegensatz zu derartigen Verfahren
ist man bei dem vorliegenden Verfahren nicht auf Hilfsgase angewiesen, und nach
dem neuen Verfahren können daher auch Gasgemische getrennt werden, für deren Bestandteile
Hilfsgase mit entsprechenden Eigenschaften schwer oder nicht zu beschaffen sind.
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Beispiel I Ein senkrecht angeordnetes Rohr von 2,6 m Länge und II
mm Durchmesser, in dessen Längsachse ein Glühdraht angeordnet ist, wird mit normalem
Neon mit einem Atomgewicht von 20,I8 beschickt. Das obere Ende des Rohres ist mit
einem Vorratsbehälter für Neon gefüllt.. Zwischen dem Glühdraht und der äußeren
Rohrwandung wird ein Temperaturunterschied von 6000 aufrechterhalten. Zufolge dieses
Unterschiedes steigen die wärmeren Teile des Gasinhalts des Rohres entlang dem Draht
aufwärts, und die kälteren Teile sinken entlang der inneren Rohrwandung herab. Nach
einiger Zeit kann am unteren Rohrende Neon mit einem Atomgewicht von 20,68 abgezogen
werden, das zum 34°/0 aus dem Neonisotopen mit einem Atomgewicht von 20 und zu 6601o
aus dem Neonisotopen mit einem Atomgewicht von 22 besteht, während das normale Neon
nur zu 90/o aus dem letzterwähnten Isotopen und zu gIO/, aus dem ersterwähnten Isotopen
besteht.
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Beispiel 2 Ein Rohr von 36 m Länge und gmm Durchmesser, in dessen
Längsachse ein Glühdraht angeordnet und das über seine ganze Länge durch Quersiebe
in Abständen von etwa 1 m unterteilt ist, wird kontinuierlich mit Chlorwasserstoff
vom Chloratomgewicht von 3,457 an einem 29 m oberhalb des unteren Rohrendes gelegenen
Punkt beschickt.
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Zwischen dem Glühdraht und der äußeren Rohrnvandung wird eine Temperaturdifferenz
von etwa 6500 aufrechterhalten. Am unteren Rohrende werden täglich 8 cm2 Chlorwasserstoff
abgezogen, dessen Chlor ein Atomgewicht von 36,956, entsprechend einem Gehalt von
994°lo an 37 Cl aufweist. Am oberen Rohrende werden täglich 25 cm2 Chlorwasserstoff
abgezogen, dessen Chlor ein Atomgewicht von 35,06, entsprechend einem Gehalt von
,5°1O an 37 Cl, aufweist.
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Das normale Chlor enthält demgegenüber 24,50/0 37 Cl und 75,5010 35
Cl.