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Verfahren zur Durchführung isobarer thermodynamischer Kreisprozesse
Es ist ein Verfahren bekannt, um mit llilfe von zwei Teilmengen hygrosikopischer
Stoffe, die auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden, in einem isobaren Kreisprozeß
Wasser aus der atmosphärischen Luft zu gewinnen. Der Vorgang ist dabei der folgende:
Der zuerst über die wärmere Teilmenge hirlwegstreichenden Luft wird aus den hygroskopischen
Stoffen zusätzlich Wasserdampf zugeführt, so daß ihr Teildruck hinterher um ein
Mehrfaches höher ist als anfänglich. Nach dem Verlassen der warmen Zone wird die
Lufttemperatur nieder erniedrigt, wobei der Taupunkt unterschritten wird und Wasser
im Kühler ausfällt. Hier wird es gesammelt und aus dem Prozeß abgezogen. Im zweiten
Teil des Systems kommt die den Kondensator in gesättigtem Zustand verlassende Luft
mit hygrosikopischen Stoffen gewöhnlicher Temperatur in Berührung, die der Luft
den nunmehr überschüssigen Wasserdampf wieder entziehen und sich dabei naturgemäß
stark mit Wasser beladen. Der Wasserdampfteildruck der Luft sinkt dabei unter den
Anfangswert. Beide Teilvorgänge werden so lange fortgesetzt, bis die in der ersten
Zone vorhandenen wasserabgebenen Stoffe erschöpft und die in der zweiten Zone anwesenden
Stoffe gesättigt sind, worauf beide Teilmengen vertauscht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die
Erkenntnis
zugrunde, daß ein ähnliches Verfahren zur Gewinnung eines leicht kondensierbaren
Anteils aus einem Gasgemisch angewendet werden kann, auch ohne daß die Anreicherung
in der ersten Zone des Systems so weit getrieben wird, bis die zu gewinnende Komponente
bei der nachfolgenden Kühlung in flüssiger Form auskondensiert. Gemäß der Erfindung
wird eine mäßige Anreicherung zusammen mit einem besonderen, zweiten Adsorptionsprozel3
im eigentlichen Gewinnungskreislauf verwendet. Der Gewinnungskreislauf ist mit dem
Anreicherungskreislauf an der Stelle gekoppelt, wo im letzteren die höchste Konzentration
auftritt. An dieser Stelle, der Umkehrstelle, wird ein auswechselbarer Adsorber
eingeschaltet, der sich mit der angereichert vorhandenen Komponente stark belädt.
Nach erfolgter Aufladung wird der verwendete Adsorber durch einen frischen ersetzt
und an eine Stelle gebracht, wo daraus die gewünschte Substanz in reiner Form gewonnen
werden kann.
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Das bekannte Verfahren erscheint in diesem Vorschlag lediglich als
Vorstufe zur Durchführung des eigentlichen Gewinnungsprozesses, den es allerdings
ganz bedeutend zu verbessern vermag. Am Beispiel der Adsorption von Äthylen aus
Leuchtgas sei nun der Vorteil des neuen Verfahrens im einzelnen aufgezeigt: In einer
bestimmten Leuchtgasart betrage der Ä.thylenteildruck beispielsweise 15 mm Hg bei
einem Gesamtdruck von 735 mm Hg.
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Wenn zur Gewinnung des Äthylens ein periodisch betriebener, mit Spezialkohle
gefüllter Adsorber unmittelbar in den Gasstrom geschaltet wird. so wäre ein Teildruckgefälle
unmittelbar nach Arbeitsbeginn von etwa 13 mm Hg verfügbar, da der Teildruck des
nach der Regeneration auf der Kohle noch verbliebenen Ethylens schätzungsweise 2
mmHg betragen wird. Die zurückgebliebene Äthylenmenge selbst beträgt 3 m3/to (3
m3 Gas pro I to Kohle während bei der folgenden Adsorption unter einem Teildruck
von 1 5 mm Hg im Höchstfall 14 m3/to bei - 20° C bzw. 39m3/to bei - 20° C aufgenommen
werden können.
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Die theoretische Adsorptionsbreite beträgt demnach in diesen beiden
Fällen 11 bzw.
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36 m3/to. In der Praxis ist es indessen ausgeschlossen. die Höcllstbeladung
zu erreichen, weil dabei einerseits das zur Unterhaltung des Stoffaustauschvorgangs
notwendige Teildruckgefälle außerordentlich klein und damit die Periodendauer sehr
lang werden würde. und weil anderseits der Restgehalt des aus dem Adsorber abziehenden
Gasstromes an Äthylen eine unzulässige Höhe erreichen n-iirdc.
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Wird aber jetzt der Adsorber zur Äthylengewinnung licht unmittelbar
in den Gasstrom geschaltet. sondern an der Umkehrstelle des einen Anreicherungsprozeß
durchlaufenden Leuchtgases angesetzt. so wird das Bild völlig anders; In der Anreicherungsanlage
kann der Wert des Äthylenteildruckes leicht auf das Fünffache, also von 15 mm Hg
auf 75 mm Hg gebracht werden, so daß als Antrieb für den Stoffübergang jetzt ein
Teildruckgefälle von 73 mm Hg gegenüber vorhin 13 mm Hg zur Verfügung steht. Die
Höchstbeladung ist außerdem jetzt 38 m3/to bei @ 20 C uiid 83 m3/to bei - 20° C.
Im Gegensatz zur ersten Schaltung kann schließlich hier die Adsorptionsbreite von
35 bzw. 80 m3/to viel weitergehend ausgenutzt werden, da, wie soeben erwähnt. einmal
eine wesentlich stärkere Tliebkraft vorhanden ist, der Vorgang also energischer
verläuft und nicht so rasch auskliiigt. und da zweitens auf niedrigen Restgehalt
jetzt nicht mehr geachtet zu werden braucht. Theoretisch könnte sogar der Adsorber
bis zur Höchstbeladung voll ausgefah ren werden, ohne daß ein Äthylenverlust auftritt.
da selbst ein Äthylengehalt hinter dem Adsorber von 100% des Anfangswertes bei der
angewendeten Schaltung ohne weiteres zulässig ist. Hinter der Umkehrstelle, an der
der Adsorber Sitzt. durchströmt ja doch das Gasgemisch noch die auf niedriger Temperatur
gehaltene zweite Zone des Anreicherungssystems. in der der Äthylenteildruck wieder
bis auf einen fast beliebig niedrigen Endwert herabgesetzt werden kann. Die Höhe
dieses Endwertes hängt kaum ab von der Höhe des Wertes beim Eintritt in diese Zone,
namentlich wenn angereicherte Gasschwaden nur kurzzeitig auftreten, sondern er hängt
viel eher ab von der Temperatur ctcr die jeweils letzte Teilmenge dieser Zone bei
ihrer unmittelbar vorangehenden Regeneration in der warmen Zone ausgesetzt war.
Dort hatte sie ja zuletzt ihren Platz unmittelbar am E.intritt des frischen Gasgemisches
mit dem Äthylenteildruck von 1 5 mm Hg. Hierbei genügt schon eine Temperatur von
75°C, um die Menge des auf der Kohle noch haftenden Äthylens auf den vorhin genannten
Wert von 3 m3/to herabzudrücken. Infolge des fortgesetzten Weiterschiebens der Kette
aller Teil mengen rückt nun außerdem in kurzen Abständen eine frisch regenerierte
Teilmenge an das Austrittsende des Systems, so daß ein gleichbleibender niedriger
Äthylenrestgehalt ohne Rücksicht auf die Führung des eigentlichen Gewinnungsprozesses
aufrechterhalten werden kann.
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Das Verfahren kann in der aus der schematisch gehaltenen Abbildung
hervorgehenden Apparatur durchgeführt werden: Der zu behandelnde Gasstrom durchläuft
nacheinander ein Gebläse g, einen Wärmeaustauscher
w, drei Kammern
I, 2 und 3, abermals den Wärmeaustauscher w, einen Kühler k und gelangt dann in
den Adsorber, in dem die zu gewinnende Komponente zurückgehalten wird. Das Restgas
verläßt denApparat nach dem Durchlaufen der Kammern 4, 5 und 6. Jede Kammer besteht
aus einer Heiz-oder Kühlvorrichtung die von dem Gas zuerst durchströmt wird, und
einer dahinter angeordneten Füllung ab- oder adsorbierender Stoffe z. B. aktiver
Kohle, die in der Lage ist, die zu gewinnende Komponente aus dem Gasgemisch aufzunehmen
und festzuhalten.
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Die jeweils zuerst durchströmten Kammern, auf der Skizze I, 2 und
3, werden durch die Heizvorrichtung auf erhöhter Temperatur gehalten, während die
jeweils am Schluß des Prozesses liegenden Kammern durch die Kühlvorrichtung auf
Umgetlungstemperatur oder tiefer gekühlt werden. durch eine Schaltvorrichtung, die
in der Abbildung durch ein endloses Förderband angedeutet ist, könne die Kammern
relativ zu dem als stationär angenommenen Gasstrom so bewegt werden, daß die jeweils
mit dem eintnetenden Gasstrom zuerst in Berührung gewesene Kammer als letzte mit
dem austretenden Gasstrom in Berührung kommt während anderseits die unmittelbar
hinter dem Adsorber liegende Kainmer an die Stelle vor dem Adsorber rückt.
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Die anderen Kammern schieben sich dabei ebenfalls jeweils um eine
Nummer weiter vor, und zwar stets entgegen der Richtung des Gasstromes.
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Durch dicse Anordnung wird nun folgendes erreicht: Der eintretende
Gasstrom, der im Wärmeaustauscher vorgewärmt wurde, wird in der Heizvorrichtung
der ersten Kammer auf eine Tempe-ratur gebracht, die so hoch ist, daß die im Anschluß
daran durchströmte Füllung der ersten Kammer auf die vorgesehene Temperatur erhitzt
wird. Infolge dieser Temperatursteigerung wird die an sich nur noch geringe Beladung
der ab- oder adsorbierenden Füllung auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt,
zumal ja die, Konzentration des flüchtigen Anteiles im eintretenden Gasstrom noch
gering ist. Die ausgetriebenen Spuren der flüchtigen Komponente vereinigen sich
mit dem durchziehenden Gasstrom und erhöhen bereits dess!en Konzentration umr ein
Geringes. In der zweiten Kammer wird der Gasstrom ebenfalls zuerst hochgeheizt und
hält deshalb auch die dort untergebrachte Füllung auf der gewünschten hohen Temp1eratur.
Diese Füllung enthält nun schon eine gröl'ère Menge der flüchtigen Komponente, die
genau wir vorhin unter dem Einflue der Heizung weitgehend ausgetrieben wird und
zusammen mit dem Gasstrom zur dritten Kammer strömt. Auch dort wird zuerst wieder
hochgeheizt, so daß auch die Füllung 3 die vom vorhergehenden Arbeitsgang noch kalt
war; auf hohe Temperatur gebracht wird.
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Diese Füllung ist nun sehr reich an flüchtigem Anteil, so daß dieser
hier in großer Menge ausgetrieben wird und die Ronzentration des Hauptgasstromes
erheblich heraufsetzt. Dieser Gasstrom wird anschließend wieder auf normale Umgebungstemperatur
heruntergekühlt, und n;var zuerst im Austauscher nu unter Übertragung der hochwertig1eren
Wärme auf den eintretenden Gasstrom und schließlich noch im Nachkühler k. Hiernach
strömt er durch den Adsorber a, dessen Füllung sich unter diesen Bedingungen natürlich
stark mit der flüchtigen Komponente beladen wird. Der aus dem Adsorbern austretende
Gasstrom, der noch immer ,erhebliche Mengen der flüchtigen Komponente enthalten
kann, tritt nun in die Kammer 4 ein wo er zunächst eine Kühlvorrichtung durchströmt.
Mit niedriger Temperatur kommt er sodann mit der Füllung in Berührung, die einen
Teil der flüchtigen Komponente aufnimmt und sich dabei bis zu dem Grad belädt, der
soeben bei der Kammer 3 beschrieben wurde. In den nächsten Kammern wird dann die
Menge des im Gasstrom noch anwesenden flüchtigen Anteiles - stufenweise immer weiter
herabgesetzt, so daß der Strom schließlich die Anlage mit einer wesentlich geringeren
Konzentration verläßt, als er sie anfänglich besaß. Dazu trägt besonders die jeweils
letzte Kammer bei, deren Füllung ja kurz vorher bis auf einen sehr geringen Restgehalt
regeneriert worden war. Hält ynan einen Augenblick an dem für die Abbildung gewählten
Bild fest, so erscheinen die entgegen dem Gasstrom bewegten Kammern als Träger der
flüchtigen Komponente, die sie an den eintretenden Strom stets von neuem abgeben
und aus dem austretenden Gasstrom dann wieder herausholen vergleichbar einer Transporteinrichtung,
die das Geschiebe in einem Flußlauf auffängt, flußaufwärts schafft und wieder ins
Wasser stürzt.
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Es ist deutlich, daß die gleiche Wirkung auch durch eine Anlage mit
Feststehenden Kammern erzielt werden kann, die in geeigneter Weise, etwa durch einen
Steuerkopf oder durch fortschreitend zu betätigende Schieber an einer Ringleitung
in den Gasstrom eingeschaltet werden.
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Es kann zweckmäßig sein, bei der immer führung der Stoffmengen aus
der einen in die andere Zone eine Ruhepause einzuschalten; in der die Stoffmengen
nicht mit dem Gasstrom in Berührung sind, wo sie abier Gelegenheit haben, die Temperatur
der neuen Zone anzunehmen.
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Auch ist es möglich, die Zahl der einzelnen
abgetrennten
Teilmengen des ab- oder adsorbierenden Stoffes so stark zu erhöhen, daß die D ampfdruckstufen
zwischen diesen Teilmengen außerordentlich gering werden. Wenn dann gleichzeitig
die Einrichtungen zur Wärmezufuhr bzw. -abfuhr z. B. in die Wände eines vom Gasgemisch
durchströmten Kanals gelegt werden., so kann die gesamte Menge eines ab- oder adsorbierenden
Stoffes in gleichsam ununterbrochenem Fluß dem Gasstrom entgegengeführt werden.
Dies wäre z.B. in einer von außen geheizten oder gekühlten Drehtrommel durchführbar.
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Der Adsorber a, in dem sich nach einiger Zeit die Differenz zwischen
dem eintretenden und dem austretenden Anteil der -düchtigen Komponente finden wird,
muß von Zeit zu Zeit gegen einen frischen Adsorber b oder c ausgewechselt werden.
Die jeweils ruhenden Adsorber können dann inzwischen durch eine geeignete Einrichtung.
etwa durch die Vakuumpumpe. von der aufgenommenen Komponente befreit und zur erneuten
Aufnahme vorbereitet werden.
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Es ist zwar bereits ein Verfahren zur Anreicherung und Gewinnung
kondensierbarer Stoffe aus Gemischen mit Luft oder anderen Gasen durch Verflüssigung
bekanntgeworden, wobei durch Schaltung alle Adsorptionsschichten von der kalten
in die warme Zone kommen und der Wertstoff an der Stelle höchster Konzentration
durch Kondensation abgeschieden wird.
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Das Neue liegt demgegenüber bei der vorliegenden Erfindung darin.
daß der Wertstoff optimatisch angereichert wird und in einem getrennten Ad- oder
Absorber gewonnen wird, der wie der Kühler bei dem bekannten Verfahren an der Umkehrstelle
des Anreicherungsvorganges sitzt. Die stufenweise Adsorption nach der Umkehrstelle
in den einzelnen Kammern dient nunmehr nicht der Gewinnung des Wertstoffes, sondern
lediglich zu seiner Anreicherung. Neu ist weiterhin. daß alle Teilmengen des zu
ab- oder adsorbierenden Stoffes in geschlossenem Kreislauf entgegen der Strömungsrichtung
des Gasgemisches derart durch die Kältezone hindurch in die wärmere Zone überführt
werden,, daß das eintretende Gasgemisch in der wärmeren Zone auf Teilmengen mit
stets größer werdendem Dampfdruck trifft und am Ende der warmen Zone mit der am
stärksten beladenen Teilmenge im Austausch steht, während das Gemisch in der kälteren
Zone Teilmengen mit stets abnehmendem Dampfdruck berührt und kurz vor seinem Austritt
mit einer von Wertstoí1' fast völlig freien Schicht in Berührung steht. Durch das
schrittweise Weiterschleben der Teilmengen des Adsorptionsmittels durch das System
entgegen dem Gasstrom werden also auf einfachste Weise die Voraussetzungen dafür
geschaffen. daß der eintretende Strom des Gemisches sich stufenweise bis auf sehr
hohe Teilwerte des Wertstoffes anreichert, während der austretende Strom von Wertstoff
fast völlig befreit sverden kann, und zwar ohne Rücksicht auf den Beladungszustand
des eigentlichen Adsorbers.
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Bei dem bekanntgewordenen Verfahren dagegen wird zwar der eintretende
Strom auch noch mit Wertstoff beladen, aber eine optimatische Steigerung des Teiidruckes
auf ein Mehrfaches des Anfangswertes ist kaum möglich, weil ja in keiner Weise dafür
Sorge getragen ist. daß der Strom zuerst mit den wenig Wertstoff abgebenden Teilmengen
und ganz zuletzt ent der am stärksten aufgeladenen Schicht des Ab- oder Adsorptionsmittels
in Berührung kommt.
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Ein besonderer Vorteil des neuen Verfahrens liegt ferner darin. daß
nicht nur der Aufwand an Ab- oder Adsorptionsmitteln besonders gering ist. sondern
daß auch die Einwirkung des Trägergases bei der Reindarstellung des Wertstoffes
ausgeschlossen werden kann, indem z.-B. beliebige andere Dämpfe oder Ü ase als Träger
angewendet werden, Auch die Möglichkeit der Speicherung, z. B. für die zeitliche
oder räumliche Verlagerung des Gewinnungsvorganges ist hierdurch gegeben. was ebenfalls
ein bedeutender technischer Vorteil sein kann, namentlich dann, wenn geringe Spuren
des Wertstoffes aus einer sehr großen Menge Ausgangsgemisch herauszuholen sind -Diese
letztere Möglichkeit des neuen Verfahrens ist überhaupt als b-edeutendster Fortschritt
gegenüber den bisher bescbdebenen Arbeitsweisen anzusehen.